TWI542706B - 用於接合應用的鋁合金線 - Google Patents

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Description

用於接合應用的鋁合金線
本發明係關於一種接合線，其包含：具有表面的芯，其中該芯包含鋁作為主要組分，其中該芯包含0.05%至1.0%含量的鈧組分。
本發明另外係關於一種以本發明之線接合電子裝置之系統及製造本發明之線之方法。
接合線係用於半導體裝置之製造中使積體電路與印刷電路板在半導體裝置製造期間電互連。另外，接合線係用於電力電子應用中使電晶體、二極體及類似物與殼體之墊或針腳電互連。雖然起初自金製得接合線，但如今使用較不昂貴的材料(例如鋁)。雖然鋁線提供極佳的導電性及導熱性，但鋁線的接合具有其挑戰性。
通常，本發明意義中的接合線係經最佳化以配合高速接合工具使用，其中通常使用球形接合或第二接合(楔形接合)以連接該線末端與諸如接合墊的表面。在鋁基線的情況下，主要使用楔形-楔形接合。為至少在實際加工窗口內與接合工具相容，接合線必須符合特定要求。
就本發明而言，術語接合線包含所有橫截面形狀及所有普通線直徑。具有圓形橫截面及細直徑的接合線與具有圓形橫截面或扁平橫截面的厚接合線一樣皆可用於高功率應用。具有扁平橫截面的厚接合線亦稱作帶。
一些新近開發係關於具有基於鋁作為主要組分之芯材料之接合線，因為鋁比金及其他材料具有更低價格。然而，仍需要進一步改良 有關接合線自身及接合方法的接合線技術。
因此，本發明之目標係提供改良之接合線。
因此，本發明之另一目標係提供一種具有良好加工性且在互連時無特殊需求(因此節約成本)的接合線。
本發明之一目標係亦提供一種具有極佳導電性及導熱性的接合線。
本發明之另一目標係提供一種顯示改良之可靠性的接合線。
本發明之另一目標係提供一種顯示極佳接合性的接合線。
本發明之另一目標係提供一種針對第二接合或楔形接合而言顯示改良之接合性的接合線。
本發明之又一目標係提供一種至少在拉製該線期間具有高拉伸強度的接合線。
本發明之又一目標係提供一種具有低電阻率的接合線。
另一目標係提供一種用於接合電子裝置之系統，該系統在諸如電子裝置構件及/或封裝構件之接合墊之間提供可靠連接。
另一目標係提供一種製造本發明接合線的方法，與已知方法相比，該方法基本上顯示製造成本未增加。
令人驚訝地，已發現本發明之線解決上述目標中之至少一者。另外，已發現一種製造此等線之方法，其克服製造線的挑戰中之至少一者。另外，發現包含本發明之線之系統在本發明之線與其他電元件之間的交界處更可靠。
類別形成請求項之主題促成上述目標中之至少一者的解決方案，藉以類別形成請求項，該等類別形成獨立請求項之附屬子請求項表示本發明之較佳態樣，本發明之主題亦促成上述目標中之至少一者的解決方案。
本發明之第一態樣係一種接合線，其包含： 具有表面的芯，其中該芯包含鋁作為主要組分，其特徵為該芯包含0.05%至1.0%含量的鈧組分。
若未特別指定不同，則組分之所有含量或份額在本文中係以重量份額表示。特定言之，以百分比表示的組分份額意指重量%，及以ppm(百萬分率)表示的組分份額意指重量ppm。就有關可數物體(例如顆粒)的百分比值而言，既定值係該等物體總數的份額。
較佳地，本發明之線不具有覆蓋芯表面的塗層。此提供簡單的成本節約型線製造。此不排除針對特定應用而言本發明之線的芯表面上可具有額外的塗層。
應明白：預期成品線的芯上具有至少一些薄層，因為本發明之線係基於鋁且因此即使僅短時間曝露至空氣亦幾乎瞬間形成一些氧化層。就定義目的而言，該線的芯的既定特徵及性質係與該非刻意形成表面區域下的未受影響的芯材料有關。
若一組分的份額超過所提及材料之所有其他組分，則該組分係「主要組分」。較佳地，主要組分佔該材料總重量之至少50%。
本發明鈧含量係經選擇以致呈現有益效應而無顯著不利效應。若選擇大於1%的鈧含量，則該芯材料中存在高含量的較大鈧顆粒或含鈧相顆粒。若該等顆粒的含量及尺寸超過特定限度，則會損害該線的機械性質。若選擇小於0.05%的鈧含量，則鈧所附加的有益性質不再顯著。
在本發明之一較佳實施例的情況下，鈧含量經最佳化為在0.1%至0.35%的範圍內。在一最佳實施例中，該芯的鈧含量係在0.12%至0.25%的範圍內。
在本發明之一般較佳實施例中，該芯包含0%至0.5%的矽。令人驚訝地發現，雖然矽係習知鋁基接合線之標準組分(通常含量為1%)， 但本發明之線之低矽含量具有有益影響。甚至不含任何矽亦可實現良好拉伸強度，而同時具有極佳導電性。將矽含量維持在0%至0.2%之間甚至更佳。在本發明之線之一最佳實施例中，除不可避免的痕量(特定言之小於100ppm)以外，不包含矽。
就本發明之線之一般有利特徵而言，該芯之除鋁及鈧以外之組分之總和係在0%至1.0%之間。更佳地，該等其他組分含量之總和小於0.5%，最佳小於0.2%。此提供高傳導性，因為其他組分在鋁晶體只產生少許干擾。
為增強該線的耐腐蝕性，該芯較佳包含10ppm至100ppm含量的選自銅及鎳之群組中之至少一者。最佳地，鎳含量或銅含量係在30ppm至80ppm之間。
就低熱損失(因電阻加熱導致)而言，本發明之線較佳具有至少32.0*106Ohm-1*m-1的傳導率。更佳地，該傳導率係至少33.0*106Ohm-1*m-1。本發明之線之傳導率係可藉由選擇其元素組成及指定處理(例如退火或均質化)來影響。雖然原則上該傳導率係材料依賴常數，但至少對極小直徑而言，可出現一些線直徑依賴性。就定義目的而言，文中所述傳導率係針對具有約100μm直徑的厚接合線來測量。
在本發明之一具體實施例中，該芯中至少30%的鈧係以與主要組分鋁分離的相的形式存在。應明白：至多在某一程度，鈧可完全溶解於鋁基質中。該種溶解鈧狀態無法識別出分離相。在某些條件下，鈧可至少部分以不同相形式存在。通常藉由與主要鋁相分離的結晶或甚至非晶態顆粒來識別該相。該含鈧相的性質(例如粒度、粒度分佈、組成等)取決於具體熱處理及/或存在的其他組分。
較佳地，含鈧相係主要包含Al3Sc的金屬間相。金屬間相在本文中係定義為包含兩種或更多種金屬的均質化學化合物，該等金屬間相具有不同於構成金屬的晶格之晶格結構。
最佳地，金屬間相之微晶總數之至少三分之二具有小於25nm的直徑。令人驚訝地發現，一旦將線芯調整至該等參數時，可實現電性質及機械性質的最佳組合。
在本發明之一可行實施例中，該線具有80μm至600μm範圍內的直徑。該等線在本發明意義中係定義為「粗線」。因此，該線的橫截面形狀係視為圓形。獨立於橫截面形狀以外，本發明意義中的粗線係具有至少約5000μm2的橫截面面積(其係約具有80μm直徑的圓形線的橫截面面積)的線。
在本發明之其他實施例中，該線具有8μm至80μm範圍內的直徑。該等線在本發明意義中係定義為「細線」。在細線的情況下，通常以圓形橫截面較佳，然而，扁平橫截面亦可行。
應指出，對所有類型的接合線而言(及特定言之在細線的情況下)，至少在將線拉製至最終直徑時，對該線材料的拉伸強度具有高要求。就習知線而言，此意味著必須選擇符合所需拉伸強度的特定鋁合金。在本發明的情況下，甚至對拉製細線而言，藉由添加鈧並控制該線之熱處理來實現充分的拉伸強度。此係甚至對除鋁及少量鈧以外不含其他組分的線而言亦成立。
本發明之另一態樣係一種用於接合電子裝置的系統，其包含第一接合墊、第二接合墊及前述技術方案中任一項之線，其中該線係藉由楔形接合而連接至該等接合墊中之至少一者。
就該等系統之一較佳實施例而言，位於該等接合墊的下方結構包含至少一層多孔二氧化矽。可調整本發明之線之硬度以符合在接合墊下方對準之機械敏感結構的要求。若該接合墊由軟材料(例如鋁或金)構成時，此係尤其成立。該敏感結構可包含(例如)一或若干層多孔二氧化矽(特定言之具有小於2.5的介電常數)。該等多孔且因此脆弱的材料因可助於提升裝置性能而變得越來越普遍。因此，本發明接合線 的機械性質係經最佳化以避免該等脆弱層破裂或其他損害。可藉由視各自要求而定的具體退火程序來實現該最佳化。
本發明之線可有利地用於具有高操作溫度的系統中。較佳地，標準操作溫度始終為至多175℃，較佳至多250℃。亦可使用具有至多300℃的極高恆定操作溫度的本發明之線。已發現該等高溫不會干擾該合金鈧在線中的所需行為。
就用於接合電子裝置之系統之某些實施例而言，可甚至提供在接合程序期間或甚至在經接合裝置之第一操作期間實現含鈧相(特定言之金屬間Al3Sc相)之受控制形成。
本發明之另一態樣係一種製造本發明接合線的方法，其包括以下步驟：a.提供具有所需鈧含量的鋁芯前驅物；及b.拉製及/或輥軋該前驅物，直至獲得該線芯的最終直徑。
該線芯的前驅物係定義為必須經進一步變形以獲得最終線形狀的任何結構。例如，可藉由將原材料擠壓成圓柱形來提供該前驅物，其中該原材料已包含所需組成。可簡單地藉由熔融指定量的鋁，添加指定量的其他組分並處理成均質混合物來獲得該前驅物。隨後，可自該熔融或固化合金以任何已知方式(例如藉由鑄造或擠壓)來鑄造或成形該線芯前驅物。
通常藉由一系列拉製步驟來完成該前驅物至最終線形狀的成形。在具有圓形橫截面的線的情況下，拉製可係唯一成形步驟。在其他情況下(特定言之對帶而言)，該方法可包括替代性或額外輥軋步驟。應明白不同變形方法可包括其他步驟。
在一般較佳實施例中，包括該芯前驅物或最終線之均質化步驟。鋁基材料之均質化應理解為其中至少大部分所含之鈧份額溶解於鋁中的加熱程序。最佳地，全部鈧份額溶解於鋁中。此允許受控制調 整晶體結構。依據要求，可甚至將其中所有鈧均保持溶解狀態的最終線饋送至接合工具。在該情況下，含鈧金屬間相係可稍後在接合方法中或甚至在接合後或甚至在經接合裝置之操作期間形成。
然而，最佳地，在均質化後進行一些指定處理步驟，以修改晶體結構且特定言之以形成指定含鈧相。
一般較佳地，該均質化步驟係在最終拉製步驟之前進行。此可助於改良線性質，因為最終拉製步驟會增加晶格缺陷，此可支援後續形成特別細的含鈧金屬間相。
為實現鈧的充分溶解，該均質化步驟較佳包括將該芯前驅物或最終線加熱至至少450℃(更佳至少550℃)的均質化溫度達指定時間。甚至更佳地，加熱後以至少10K/秒(更佳至少100K/秒)的速率進行快速冷卻。可藉由簡單措施(如(例如)將線浸入冷液體(例如水)中)來實現該快速冷卻。
在一最佳實施例中，包括該線的沉澱硬化步驟。沉澱硬化係定義為其中晶粒以受控制方式凝結並生長以增強該線的機械強度的退火步驟。此導致線硬度增加且特定言之導致線的拉伸強度增加。用於沉澱退火的一較佳溫度範圍係在250℃至400℃之間，其中該線的曝露時間通常係至少30分鐘。在一最佳實施例中，該沉澱硬化導致形成分散良好的Al3Sc金屬間相。該分散良好的Al3Sc金屬間相具有較佳小於500nm，更佳小於300nm，甚至更佳小於150nm及最佳小於25nm的粒度。一特別佳的粒度範圍係20至200nm。
較佳線的拉伸強度係選定為至少140MPa，更佳160MPa及最佳至少180MPa。該拉伸強度尤其允許容易並可靠地拉製甚至細線。就粗線的情況而言，該拉伸強度相對於製造方法而言較不重要。就定義目的而言，該材料的拉伸強度係針對具有100μm直徑的圓線來測量。令人驚訝地發現，可將本發明之線的拉伸強度調整至甚至在習知 AlSi1合金線的範圍內的值。
有關製造該線之方法之更佳詳細實施例，特定言之針對最佳退火參數，參考本發明之線的上文描述。
實例
藉由實例進一步示例本發明。此實例用於示例性闡明本發明且無意以任何方式限制本發明或技術方案之範圍。
如下所示(重量%)，藉由熔融預定量純鋁(純度>99.99%)並添加預定量純鈧以獲得混合良好的組合物來製備合金：鋁 鈧 剩餘物/不可避免的污染物99.8% 0.18% <0.02%
將該熔融混合物鑄造成鑄塊並冷卻。將該鑄塊擠壓成圓柱形。可對該擠壓圓柱體進行拉製步驟。獲得具有約1mm直徑的線芯前驅物。
隨後，將該1mm直徑線芯前驅物於均質化步驟中進行均質化。在此步驟中，將該芯前驅物插入經預熱至640℃溫度的退火烘箱中。將該芯前驅物在640℃恆定溫度的退火烘箱中維持若干小時的曝露時間。經歷此階段後，全部含量的鈧溶解於鋁晶格中。
經歷曝露時間後，藉由將該熱芯前驅物浸入冷水中使其立即淬滅。藉由該淬滅實現大於100K/秒的冷卻速率。此快速冷卻防止形成較大含鈧相顆粒。
均質化後，拉製該前驅物，或相反形成通常80μm至600μm的粗線。在拉製該線之前進行均質化會減少拉製工具的磨損並提高其壽命。
若使該最終線形成粗線，則此時可終止該方法或可緊接著進行最終退火步驟以調整機械性質。
若欲使該最終線成為細線，則現對粗線進行受控制沉澱硬化，其中在經歷第一系列拉製及/或形成步驟之後的直徑係視為中間直徑。藉由將該線曝露至通常在250℃至400℃(較佳約300℃)範圍內的溫度達若干小時來完成該沉澱硬化。該溫度通常低於用於均質化的溫度。
在該沉澱硬化期間，分散良好的金屬間相Al3Sc積聚。先前溶解之鈧之該沉澱可增強該線的導電性。此外，該線的硬度及拉伸強度亦提高。
若大於30%(甚至更佳大於70%)的鈧沉澱於Al3Sc金屬間相中，則獲得良好結果。最佳地，此相主要以極細顆粒的形式存在，其中至少三分之二的該等顆粒具有較佳小於500nm，更佳小於300nm，甚至更佳小於150nm及最佳小於25nm及特別佳在20至200nm之間的平均直徑。顆粒直徑在本文中一般定義為可貫通顆粒的最大直徑距離。
圖1顯示在300℃溫度下拉伸強度及伸長率與退火時間的函數圖。該拉伸強度係以cN(百分之一牛頓)為單位的斷裂負荷「BL」表示。由於該線具有100μm直徑，因此150cN的斷裂負荷等於191MPa。自該圖可知容易達到該值。
此拉伸強度允許將該線進一步拉製至細線直徑。容易達到的一般細線直徑係小於50μm。
在拉製至最終線直徑後，將該線曝露至進一步最終退火步驟。該步驟可與沉澱加熱相同或類似。或者，其可包括曝露至低於250℃ 的相當適度退火溫度。完成該最終退火以減小已受材料變形所導入的應力及晶格缺陷。
上表1顯示具有300μm直徑及不同鈧含量的兩種粗線之所測量傳導率。在四點設置中，使用10mA施加電流對1.0m長的線進行測量。
就0.25%鈧樣品而言，不進行均質化，但遞送的鑄塊被視為十分均質化。
通常，該資料證實：藉由使含鈧相沉澱會增強傳導率，因為溶解之鈧在鋁晶格中之干擾較少。另外，其顯示容易達到33.0*106Ohm-1*m-1的傳導率值。
有關沉澱Al3Sc相的細度而言，使用FIB系統(FIB=聚焦離子束)進行測量。該FIB系統的空間解析度係約20nm。已對線樣品進行至少100μm2的若干FIB切割並已對顆粒進行評估。由於所用材料的純度，因此假定所有顆粒均屬Al3Sc相。
使用FIB系統的測量及評估得出以下結果：
就遞送的材料而言，觀察得平均直徑為25nm的顆粒，其中標準差為7nm。
在640℃下均質化48小時後，不存在可見顆粒。
在300℃下沉澱退火達7小時後，仍未觀察到顆粒。
考慮到該FIB系統的解析度及電性質及機械性質的變化，可衍生出粒度不大於20nm的細Al3Sc相。
本發明之主題係示例於圖式中。然而，該等圖式無意以任何方式限制本發明或技術方案之範圍。
圖1顯示本發明之線之拉伸強度及伸長率之圖。
圖2顯示製造本發明之線(特定言之細線)的方法之圖。

Claims (12)

  1. 一種接合線，其包含：具有表面的芯，其中該芯包含鋁作為主要組分，其特徵為：該芯包含0.05重量%至1.0重量%含量的鈧組分，其中該芯中至少30%的鈧係以與主要組分鋁分離的相的形式存在，其中該相係主要包含Al3Sc的金屬間相。
  2. 如請求項1之線，其中該芯包含0重量%至0.5重量%的矽。
  3. 如前述請求項中任一項之線，其中該芯之除鋁及鈧以外之組分之總和係0重量%至1.0重量%。
  4. 如請求項1或2之線，其中該芯包含10ppm至100ppm含量的選自包含銅及鎳之群組中之至少一者。
  5. 如請求項1或2之線，其中該線具有至少32.0*106Ohm-1*m-1的傳導率。
  6. 如請求項1之線，其中該金屬間相之微晶總數之至少三分之二具有小於25nm的直徑。
  7. 如請求項1或2之線，其中該線具有80μm至600μm範圍內的直徑。
  8. 如請求項1或2之線，其中該線具有8μm至80μm範圍內的直徑。
  9. 一種用於接合電子裝置之系統，其包含第一接合墊、第二接合墊及如前述請求項中任一項之線，其中該線係藉由楔形接合連接至該等接合墊中之至少一者。
  10. 如請求項9之系統，其中位於該等接合墊下方的結構包含至少一 層多孔二氧化矽。
  11. 一種製造如請求項1至8中任一項之接合線之方法，其依序包括以下步驟：a.提供具有所需鈧含量的鋁芯前驅物b.均質化該芯前驅物，其中包括將該芯前驅物加熱至至少550℃的均質化溫度達指定時間，且在該加熱後接著以至少10K/秒的速率進行快速冷卻；及c.拉製及/或輥軋該前驅物，直至獲得該線芯的最終直徑。
  12. 如請求項11之方法，其包括使該線沉澱硬化的步驟。
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