TWI721518B

TWI721518B - 半導體裝置用接合線

Info

Publication number: TWI721518B
Application number: TW108127795A
Authority: TW
Inventors: 小山田哲哉; 宇野智裕; 小田大造; 山田隆
Original assignee: 日商日鐵化學材料股份有限公司; 日商日鐵新材料股份有限公司
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2021-03-11
Also published as: US10529683B2; JP2019071423A; WO2017104153A1; JP2021114609A; JP6860542B2; TW202143414A; KR20180094958A; JPWO2017104153A1; US20180374815A1; DE112016005747B4; DE112016005747T5; TWI671412B; TW201943860A; CN108369914A; TW201723196A; JP6445186B2; CN108369914B; KR102012143B1

Abstract

本發明提供一種半導體裝置用接合線，其確保高度之接合可靠性，並且具有優異之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性，進而滿足球形成性、楔形接合性等綜合性能，適於車載用裝置用接合線。本發明之半導體裝置用接合線係具有Cu合金芯材、形成於上述Cu合金芯材之表面之Pd被覆層、及形成於上述Pd被覆層之表面之Cu表面層者，其特徵在於：包含Ni，Ni相對於線整體之濃度為0.1～1.2 wt.%，上述Pd被覆層之厚度為0.015～0.150 μm，上述Cu表面層之厚度為0.0005～0.0070 μm。

Description

半導體裝置用接合線

本發明係關於一種用於連接半導體元件上之電極與外部引線等電路配線基板之配線之半導體裝置用接合線。

目前，作為將半導體元件上之電極與外部引線之間進行接合之半導體裝置用接合線(以下，亦稱為「接合線」)，主要使用線徑15~50μm左右之細線。接合線之接合方法一般為超音波併用熱壓接方式，作為通用接合裝置、使接合線通過其內部而用於連接之治具使用毛細管。接合線之接合製程係藉由利用電弧熱輸入將線前端加熱熔融，藉由表面張力形成球後，於在150~300℃之範圍內加熱之半導體元件之電極上壓接接合(以下，稱為「球接合」)該球部，其次，形成迴路後，於外部引線側之電極壓接接合(以下，稱為「楔形接合」)線部而完成。作為接合線之接合對象之半導體元件上之電極主要使用於Si基板上將以Al作為主體之合金成膜而成之電極構造，外部引線側之電極主要使用實施有Ag電鍍或Pd電鍍之電極構造。

就耐氧化性優異，且獲得良好之接合性之方面而言，接合線之材料主要使用Au。然而，受到近年來Au價格之高漲，謀求開發一種更廉價且高功能之接合線。針對該要求，提出一種充分利用廉價且導電率較高之優點，使用Cu之接合線。關於使用Cu之接合線，提出使用高純度Cu(純度：99.99wt.%以上)者(例如專利文獻1)。使用高純度Cu之Cu接合線雖有具有優異之導電性等優點，但存在接合性因表面氧化而較差，與Au接合線相比高溫高濕環境中之球接合部之壽命(以下，稱為「接合可靠性」)較差等問題。作為解決如上所述之問題之方法，提出一種藉由Pd而被覆Cu合金芯材之表面之接合線(以下，稱為「Pd被覆Cu接合線」)(例如專利文獻2、專利文獻3)。Pd被覆Cu接合線之特徵在於：利用耐氧化性優異之Pd而被覆Cu合金芯材，藉此實現優異之接合性，進而改善高溫高濕環境中之接合可靠性。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開昭61-48543號公報

[專利文獻2]日本專利特開2005-167020號公報

[專利文獻3]日本專利特開2012-36490號公報

Pd被覆Cu接合線主要於LSI(large scale integration，大規模積體電路)用途中被實用化。今後，於要求更嚴格之性能之車載用裝置中，亦謀求自Au接合線代替Pd被覆Cu接合線。

車載用裝置與一般之電子機器相比，要求高溫高濕環境中之長時間之動作性能。於使用先前之Pd被覆Cu接合線之情形時，難以滿足車載用裝置所要求之接合可靠性之基準。因此，於將Pd被覆Cu接合線應用於車載用裝置時，必須進一步改善高溫高濕環境中之接合可靠性。

又，車載用裝置因電動汽車或混合汽車之高功能化、多功能化而推進高密度安裝化。若安裝高密度化，則使用之接合線之線徑變細，故而謀求應對伴隨細線化之新問題。具體而言，為耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性。

毛細管磨耗係於接合線之接合時，於接合線與毛細管之接觸部毛細管發生磨耗之現象。毛細管一般使用前端之孔之形狀為圓形者，但孔之形狀因發生磨耗而變成橢圓形。若毛細管之孔之形狀變成橢圓形，則容易產生球形成不良。尤其是越進行接合線之細線化，越有球形成性變得不穩定之傾向，從而謀求耐毛細管磨耗性之改善。

表面損傷係於接合線之接合時，於接合線與毛細管之接觸部，於接合線之表面之一部分產生損傷之現象。例如，若於迴路部分產生表面損傷，則應力集中於表面損傷之凹部，成為迴路之形狀不均一之原因。尤其是若進行接合線之細線化，則表面損傷對迴路形狀造成之影響變大，故而謀求耐表面損傷性之改善。

Pd被覆Cu接合線由於藉由硬度高於Au之Pd而被覆Cu合金芯材之表面，故而有與Au接合線相比毛細管容易磨耗之傾向。認為作為降低毛細管磨耗之方法，例如使Pd被覆層之厚度較薄較為有效，但若使Pd被覆層之厚度較薄，則接合線之表面之硬度降低，表面損傷增加。因此，為了將Pd被覆Cu接合線應用於車載用裝置，要求同時改善優異之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性。

根據以上情況，於將Pd被覆Cu接合線應用於車載用裝置時，要求確保較高之接合可靠性，並且實現優異之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性。

根據車載用裝置所要求之特性，評價先前之Pd被覆Cu接合線，結果本發明者等人發現殘留如下所述之實用上之問題。

首先，對接合可靠性評價中之問題詳細地進行說明。接合可靠性之評價係基於加速評價半導體裝置之壽命之目的而進行。於接合可靠性之評價中，為了加速半導體之使用環境中之不良產生機構，一般使用高溫放置試驗或高溫高濕試驗。於高溫高濕環境中之接合可靠性評價中，多數情況下使用溫度為130℃、相對濕度為85%之試驗條件之被稱為uHAST(unbiased-highly accelerated test，無偏高加速試驗)之試驗。於假定一般之電子機器之使用環境之情形時，於uHAST中要求150小時以上之接合可靠性，相對於此，於假定車載用裝置之使用環境之情形時，於uHAST中要求250小時以上之接合可靠性。

針對於一般之金屬框架上之Si基板將純Al成膜而形成之電極，使用市售之打線接合機對先前之Pd被覆Cu接合線進行球接合，藉由環氧樹脂進行密封。對如此獲得之樣本實施藉由uHAST之接合可靠性評價，結果可知於未達250小時時，於球接合部之接合界面產生剝離而接合強度降低，無法獲得車載用裝置所要求之接合可靠性。進行產生剝離之接合界面之詳細之觀察，結果推斷形成以Al及Cu作為主體之複數種金屬間化合物，該等金屬間化合物中之Cu₉Al₄因密封樹脂中所包含之氯而被優先腐蝕為接合強度降低之原因。

其次，對耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性之問題詳細地進行說明。產生毛細管磨耗及表面損傷之接合線之接合步驟係接合線與毛細管接觸之球接合步驟、楔形接合步驟、迴路形成步驟。於該等接合步驟中，毛細管磨耗或表面損傷係於迴路形成步驟中最容易產生。其原因在於，接合線與毛細管之孔之內壁接觸之時間與其他步驟相比較長。接合線之表面之機械特性、接合線表面之凹凸形狀、潤滑性等會對毛細管磨耗或表面損傷之產生難易造成影響。尤其是接合線之表面之硬度會對毛細管磨耗或表面損傷之產生造成較大的影響。接合線表面之硬度越高則毛細管越容易磨耗，硬度越低則越容易產生表面損傷。耐毛細管磨耗性可藉由將接合線接合固定次數後形成球時之球形成不良之產生頻度進行判定。於耐毛細管磨耗性之評價中使用球形成不良之產生頻度之原因在於：若毛細管發生磨耗，則於接合線與毛細管之間形成間隙，產生球之重心位置自線之中心軸偏移之球形成不良(以下，稱為「偏芯」)。若使用該方法，則可相對簡便地評價耐毛細管磨耗性。耐表面損傷性可藉由進行接合線之接合後之迴路部分之表面損傷的產生頻度進行判定。

車載用裝置所要求之耐毛細管磨耗性之標準係將線徑為

20μm之接合線接合5000次後，形成100個球時之偏芯之產生數為2個以下。同樣地，車載用裝置所要求之耐表面損傷性之標準係進行線徑為

20μm之接合線之接合後，觀察100條迴路部分時之表面損傷之產生數為3條以下。該等評價中使用之毛細管為市售者，主成分為Al₂O₃。

使用先前之Pd被覆Cu接合線進行上述評價，結果於Pd被覆層較厚之情形時，接合5000次後，100個球中3個以上產生偏芯。此時，毛細管之前端之孔之形狀變形為橢圓形。於Pd被覆層之厚度較薄之情形時，觀察100條迴路部分之接合線之表面時，4條以上產生表面損傷。根據以上之結果可知，於使用先前之Pd被覆Cu接合線之情形時，無法獲得車載用裝置所要求之要求性能。

因此，本發明之目的在於提供一種確保較高之接合可靠性，並且具有優異之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性，適於車載用裝置之半導體裝置用接合線。

本發明之半導體裝置用接合線係具有Cu合金芯材、形成於上述Cu合金芯材之表面之Pd被覆層、及形成於上述Pd被覆層之表面之Cu表面層者，其特徵在於：包含Ni，Ni相對於線整體之濃度為超過0.08wt.%且1.2wt.%以下，上述Pd被覆層之厚度為0.015~0.150μm，上述Cu表面層之厚度為0.0005~0.0070μm。

根據本發明，可提供一種確保較高之接合可靠性，並且具有優異之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性，適於車載用裝置之接合線。

以下，對本發明之實施形態詳細地進行說明。

1.實施形態

(整體構成)

本發明之實施形態之接合線係具有Cu合金芯材、形成於上述Cu合金芯材之表面之Pd被覆層、及形成於上述Pd被覆層之表面之Cu表面層的半導體裝置用接合線，其包含Ni，Ni相對於線整體之濃度為超過0.08wt.%且1.2wt.%以下，較佳為0.1~1.2wt.%，上述Pd被覆層之厚度為0.015~0.150μm，上述Cu表面層之厚度為0.0005~0.0070μm。本發明之實施形態之接合線確保較高之接合可靠性，並且具有優異之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性，適於車載用裝置。本發明之實施形態之接合線可進而滿足球形成性、楔形接合性等綜合性能。

對本發明之實施形態之接合線對接合可靠性改善之有效性進行說明。本發明之實施形態之接合線具有Cu合金芯材、形成於上述Cu合金芯材之表面之Pd被覆層、及形成於上述Pd被覆層之表面之Cu表面層，且包含Ni，藉此可改善接合可靠性。藉此，本發明之實施形態之接合線係於藉由uHAST之接合可靠性評價中，可滿足車載用裝置所要求之接合可靠性。

若使用本發明之實施形態之接合線而形成球，則於接合線熔融並凝固之過程中，於球之表面形成Pd、Ni之濃度高於球之內部的合金層。為了於球之表面形成Pd及Ni之濃度較高之區域，有效的是於Cu合金芯材之表面具有Pd被覆層，進而於Pd被覆層之表面具備Cu表面層，進而於接合線中包含Ni。推斷其起因於在形成球時，自形成於Cu合金芯材之表面之Pd被覆層對球表面供給Pd之效果、及接合線中所包含之Ni經由Cu表面層而供給至球表面之效果。

若使用該球與Al電極進行球接合，實施高溫高濕試驗，則於球與Al電極之界面形成Pd及Ni之濃度較高之區域。形成於球接合部之界面之Pd及Ni之濃度較高之區域可抑制高溫高濕試驗中之球接合部中之Cu、Al的擴散，降低作為易腐蝕性之金屬間化合物之Cu₉Al₄之成長速度。即，推斷本發明之實施形態之接合線因Pd及Ni同時存在於球接合部之界面，而表現出較高之接合可靠性。此處，僅藉由Pd被覆、僅藉由於接合線中包含Ni係無法獲得較高之接合可靠性。僅藉由組合Pd被覆、及於接合線中包含Ni亦無法獲得較高之接合可靠性。

為了獲得上述對接合可靠性之改善效果，必須分別適當控制Ni相對於線整體之濃度、Pd被覆層之厚度、Cu表面層之厚度。即，可獲得對接合可靠性之改善效果之Ni相對於線整體之濃度為超過0.08wt.%，較佳為0.1wt.%以上，Pd被覆層之厚度為0.0150μm以上，Cu表面層之厚度為0.0005μm以上且0.0070μm以下。此處，於Ni相對於線整體之濃度為0.08wt.%以下或Cu表面層之厚度為0.0004μm以下之情形時，球接合部界面之Ni濃度較高之區域之形成變得不充分，無法獲得對接合可靠性之充分之改善效果。於Pd被覆層之厚度為0.013μm以下或Cu表面層之厚度為0.0075μm以上之情形時，球接合界面之Pd濃度較高之區域之形成變得不充分，無法獲得對接合可靠性之充分之改善效果。

對本發明之實施形態之接合線對耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性之有效性進行說明。本發明之實施形態之接合線具有Cu合金芯材、形成於上述Cu合金芯材之表面之Pd被覆層、及形成於上述Pd被覆層之表面之Cu表面層，且包含Ni，藉此可同時改善耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性。藉此，本發明之實施形態之接合線可滿足車載用裝置所要求之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性。

於本發明之實施形態之接合線中，可改善耐毛細管磨耗性之理由係起因於藉由於Pd被覆層之表面形成Cu表面層，而接合線之表面之硬度降低之效果。其原因在於Cu之硬度低於Pd之硬度，可降低作用於接合線之表面與毛細管之接觸部之摩擦力。但是，僅藉由於Pd被覆層之表面存在Cu表面層，Cu表面層為軟質之故，表面損傷增加。作為解決該問題之方法，有效的是於接合線中包含Ni。藉由於接合線中包含Ni，Ni存在於形成於接合線之表層之Cu表面層，Cu表面層之硬度變高。藉此，可獲得優異之耐表面損傷性，同時於Ni存在於Cu表面層而硬度變高之情形時，亦與Pd被覆層相比為軟質，故而亦無耐毛細管磨耗性降低之虞。

同時獲得上述優異之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性之條件係Ni相對於線整體之濃度為超過0.08wt.%且1.2wt.%以下，較佳為0.1wt.%以上且1.2wt.%以下，Pd被覆層之厚度為0.150μm以下，Cu表面層之厚度為0.0005μm以上。此處，若Ni相對於線整體之濃度為0.08wt.%以下，則Cu表面層為軟質，無法獲得耐表面損傷性之充分之改善效果。若Cu表面層之厚度為0.0004μm以下，則使接合線表面之硬度降低之效果較小，無法獲得耐毛細管磨耗性之充分之改善效果。若Ni相對於線整體之濃度高於1.2wt.%，則有接合線整體之硬度變高，耐毛細管磨耗性降低，故而不適於實用之情形。若Pd被覆層之厚度大於0.150μm，則有即便於接合線表面形成Cu表面層，對毛細管磨耗而言Pd被覆層之硬度之影響成為支配性，耐毛細管磨耗性降低，故而不適於實用之情形。此處，僅藉由Pd被覆層、僅藉由於接合線中包含Ni、僅藉由Cu表面層無法同時獲得優異之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性。於上述3種構成中僅滿足2種構成之情形時，亦同樣地無法同時獲得優異之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性。

根據以上情況，為了獲得車載用裝置用接合線所要求之接合可靠性及優異之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性，必須具有Cu合金芯材、形成於上述Cu合金芯材之表面之Pd被覆層、及形成於上述Pd被覆層之表面之Cu表面層，且包含Ni，Ni相對於線整體之濃度為超過0.08wt.%且1.2wt.%以下，較佳為0.1~1.2wt.%，上述Pd被覆層之厚度為0.015~0.150μm，上述Cu表面層之厚度為0.0005~0.0070μm。就進一步改善接合可靠性、耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性之觀點而言，Ni相對於線整體之濃度之下限較佳為0.2wt.%以上，更佳為0.3wt.%以上、0.4wt.%以上、0.5wt.%以上或0.6wt.%以上。Ni相對於線整體之濃度之上限較佳為1.1wt.%以下，更佳為1.0wt.%以下。Pd被覆層之厚度之下限較佳為0.020μm以上、0.022μm以上、0.024μm以上或0.025μm以上。Pd被覆層之厚度之上限較佳為0.140μm以下、0.130μm以下、0.120μm以下、0.110μm以下或0.100μm以下。Cu表面層之厚度之下限較佳為0.0006μm以上、0.0008μm以上或0.0010μm以上。Cu表面層之厚度之上限較佳為0.0065μm以下、0.0060μm以下或0.0055μm以下。

本發明之接合線亦可於Pd被覆層與Cu表面層之間具有合金被覆層。合金被覆層包含Au及Pd。於本發明之接合線具有合金被覆層之情形時，合金被覆層之厚度較佳為0.0005~0.0500μm之範圍。藉此，接合線可進一步改善接合可靠性及楔形接合性。推斷藉由形成合金被覆層而可於高溫高濕環境中改善接合可靠性之原因在於：自合金被覆層對球接合部之接合界面供給Au，藉由Pd、Ni以及包含Au、Ni、Pd之3元系合金形成濃化層，可降低易腐蝕性化合物之成長速度。藉由形成合金被覆層而可改善楔形接合性之原因在於：Au與Pd相比耐氧化性或耐硫化性優異，故而於與外部引線側之電極之接合界面不易因雜質而阻礙金屬之擴散。此處，於合金被覆層之厚度未達0.0005μm之情形時，無法獲得接合可靠性或楔形接合性之充分之改善效果。若合金被覆層之厚度大於0.0500μm，則有球形成性降低，故而不適於實用之情形。合金被覆層之厚度之下限較佳為0.0006μm以上，更佳為0.0008μm以上、0.0010μm以上、0.0015μm以上或0.0020μm以上。合金被覆層之厚度之上限較佳為0.0480μm以下，更佳為0.0460μm以下、0.0450μm以下或0.0400μm以下。因此，於一實施形態中，接合線之特徵在於：具有Cu合金芯材、形成於上述Cu合金芯材之表面之Pd被覆層、形成於上述Pd被覆層之表面之合金被覆層、及形成於上述合金被覆層之表面之Cu表面層，且包含Ni，Ni相對於線整體之濃度為超過0.08wt.%且1.2wt.%以下，較佳為0.1~1.2wt.%，上述Pd被覆層之厚度為0.015~0.150μm，上述Cu表面層之厚度為0.0005~0.0070μm。於較佳之一實施形態中，上述合金被覆層之厚度為0.0005~0.0500μm。

就改善迴路形成性之觀點而言，本發明之接合線較佳為Cu合金芯材進而包含選自Zn、In、Pt及Pd中之至少1種以上之元素。上述Cu合金芯材中所包含之上述元素之濃度較佳為0.05~0.50wt.%。藉此，高密度安裝所要求之迴路之直線性提昇，並且可降低迴路之高度之偏差。推斷其原因在於藉由Cu合金芯材包含選自Zn、In、Pt及Pd中之至少1種以上之元素，接合線之降伏強度提昇，可抑制接合線之變形。為了提昇迴路之直線性或降低高度之偏差，Cu合金芯材之強度越高則越有效，藉由使Pd被覆層之厚度較厚等層構造之改良，無法獲得充分之效果。若Cu合金芯材中所包含之選自Zn、In、Pt及Pd中之至少1種以上之元素的濃度未達0.05wt.%，則無法充分地獲得上述效果，若高於0.50wt.%，則有接合線硬質化，楔形接合部之變形不充分，楔形接合性之降低成為問題之情形。上述Cu合金芯材中所包含之上述元素之濃度之下限較佳為0.06wt.%以上、0.08wt.%以上或0.10wt.%以上。上述Cu合金芯材中所包含之上述元素之濃度之上限較佳為0.48wt.%以下、0.46wt.%以下或0.45wt.%以下。較佳為上述Cu合金芯材中所包含之上述元素之總計濃度處於上述範圍內。

就改善球接合部之形狀之觀點而言，本發明之接合線較佳為接合線進而包含選自B、P、Mg及Sn中之至少1種以上之元素。上述元素相對於線整體之濃度較佳為1~110wt.ppm。藉此，可改善高密度安裝所要求之球接合部之壓扁形狀，即，改善球接合部形狀之真圓性。推斷其原因在於藉由添加上述元素，可使球之結晶粒徑微細化，可抑制球之變形。有若上述元素相對於線整體之濃度未達1wt.ppm，則無法充分地獲得上述效果，若高於110wt.ppm，則線硬質化，楔形接合性降低，故而不適於實用之情形。上述元素相對於線整體之濃度之下限較佳為3wt.ppm以上、5wt.ppm以上或10wt.ppm以上。上述元素相對於線整體之濃度之上限較佳為105wt.ppm以下、100wt.ppm以下或90wt.ppm以下。較佳為上述元素相對於線整體之總計濃度處於上述範圍內。

就改善剛接合後之球接合強度之觀點而言，本發明之接合線較佳為接合線進而包含選自Ga、Ge中之至少1種以上之元素。上述元素相對於線整體之濃度較佳為0.02~1.2wt.%。藉此，可改善高密度安裝所要求之剛接合後之球接合部之接合強度。推斷其原因在於藉由添加上述元素，球之硬度主要因固溶強化作用而變高，可將球接合時供給之超音波等之能量高效率地傳遞至接合部。有若上述元素相對於線整體之濃度未達0.02wt.%，則無法充分地獲得上述效果，若高於1.2wt.%，則線硬質化，楔形接合性降低，故而不適於實用之情形。上述元素相對於線整體之濃度之下限較佳為0.03wt.%以上、0.05wt.%以上或0.08wt.%以上。上述元素相對於線整體之濃度之上限較佳為1.1wt.%以下、1.0wt.%以下或0.9wt.%以下。較佳為上述元素相對於線整體之總計濃度處於上述範圍內。

再者，有於接合線之Cu合金芯材、Pd被覆層、合金被覆層、Cu表面層之界面，原子因製造步驟中之熱處理等而擴散，形成具有濃度梯度之合金層之情形。即，有Pd被覆層包含Pd之不可避免之雜質、及構成Pd被覆層之內側之Cu合金芯材之元素的情形。進而，於合金被覆層存在於Pd被覆層之外側之情形時，有Pd被覆層包含Pd之不可避免之雜質、及構成Pd被覆層之內側之Cu合金芯材之元素、構成Pd被覆層之外側之合金被覆層之元素的情形。有合金被覆層除Au及Pd以外，亦包含Au及Pd之不可避免之雜質、及構成Cu合金芯材之元素之情形。有Cu表面層包含Pd被覆層、合金被覆層及構成Cu合金芯材之元素之情形。

對接合線包含Cu合金芯材、Pd被覆層、Cu表面層之情形進行說明。Cu合金芯材與Pd被覆層之交界係以Pd濃度作為基準進行判定。將Pd濃度為70at.%之位置設為交界，將Pd濃度為70at.%以上之區域判定為Pd被覆層，將未達70at.%之區域判定為Cu合金芯材。其根據在於若Pd濃度為70at.%以上，則可自Pd被覆層之構造期待特性之改善效果。又，即便Pd被覆層未完全被覆Cu合金芯材之表面，亦可獲得特性之改善效果。相對於Cu合金芯材之表面積，存在Pd被覆層之面積較佳為占60%以上，更佳為占80~100%。Pd被覆層與Cu表面層之交界係以Cu濃度作為基準進行判定。將Cu濃度為3at.%之位置設為交界，將Cu濃度為3at.%以上且未達50at.%之區域判定為Cu表面層。其根據在於若Cu濃度為3at.%以上且未達50at.%，則可自Cu表面層之構造期待特性之改善效果。此處，若Cu濃度成為50at.%以上，則線之表面軟質化，耐表面損傷性降低，故而無法獲得作為Cu表面層之特性。

其次，對接合線包含Cu合金芯材、Pd被覆層、合金被覆層、Cu表面層之情形進行說明。Cu合金芯材與Pd被覆層之交界係以Pd濃度作為基準進行判定。將Pd濃度自Cu合金芯材側初次成為70at.%之位置設為交界，將Pd濃度為70at.%以上之區域判定為Pd被覆層，將未達70at.%之區域判定為Cu合金芯材。Pd被覆層與合金被覆層之交界係以Au濃度作為基準進行判定。將Au濃度自Pd被覆層側初次成為10at.%之位置設為交界，將Au濃度為10at.%以上且Pd濃度為60at.%以上之區域判定為合金被覆層，將Au濃度未達10at.%之區域判定為Pd被覆層。其根據在於若為由上述基準所規定之Pd被覆層、合金被覆層之構造，則可期待特性之改善效果。又，即便Pd被覆層未完全被覆Cu合金芯材之表面，亦可獲得特性之改善效果。相對於Cu合金芯材之表面積，存在Pd被覆層之面積較佳為占60%以上，更佳為占80~100%。即便合金被覆層未完全被覆Pd被覆層之表面，亦可獲得特性之改善效果。相對於Pd被覆層之表面積，存在合金被覆層之面積較佳為占60%以上，更佳為占70~100%。再者，Cu合金芯材及Pd被覆層之表面積可藉由接合線之表面積進行近似。合金被覆層與Cu表面層之交界係以Cu濃度作為基準進行判定。將Cu濃度自合金被覆層側初次成為3at.%之位置設為交界，將Cu濃度為3at.%以上且未達50at.%之區域判定為Cu表面層。其根據在於若Cu濃度為3at.%以上且未達50 at.%，則可自Cu表面層之構造期待特性之改善效果。此處，若Cu濃度成為50at.%以上，則線之表面軟質化，耐表面損傷性降低，故而無法獲得作為Cu表面層之特性。

就可進一步享有本發明之效果之方面而言，Pd被覆層中之Pd之最大濃度只要為97at.%以上即可，較佳為98at.%以上，更佳為98.5at.%以上、99.0at.%以上、99.5at.%以上、100at.%。

於Pd被覆層中，Pd濃度為97.0at.%以上之區域之厚度較佳為0.040μm以下，更佳為0.035μm以下、0.030μm以下、0.025μm以下、0.020μm以下、0.015μm以下、0.010μm以下或0.005μm以下。

於本說明書中，關於Pd被覆層、合金被覆層、Cu表面層中之金屬元素之濃度，使用金屬元素相對於構成該等層之金屬元素之總計之比率，表面附近之C、O、N、H、Cl、S等氣體成分、非金屬元素等除外。於Cu合金芯材、Pd被覆層、合金被覆層、Cu表面層、Cu合金芯材中之Zn、In、Pt及Pd之濃度分析中，一面自接合線之表面向深度方向藉由濺鍍等進行切削一面進行分析之方法、或者使線剖面露出而進行線分析、點分析等之方法較為有效。該等之濃度分析中所使用之分析裝置可使用設置於掃描式電子顯微鏡之歐傑電子能譜分析(AES)裝置或設置於穿透式電子顯微鏡之能量分散型X射線分析(EDX)裝置。Pd被覆層或合金被覆層相對於接合線之表面積之存在比率可藉由一面於深度方向切削接合線之表面，一面進行線分析或面分析而進行測定。作為使線剖面露出之方法，可利用機械研磨、離子蝕刻法等。於接合線整體中所包含之元素之濃度分析中，除上述方法以外，亦可利用ICP(inductively coupled plasma，感應耦合電漿)發射光譜分析裝置、ICP質量分析裝置。

(製造方法)

說明本發明之實施形態之接合線之製造方法的一例。接合線係藉由於製造芯材中使用之Cu合金後，加工為較細之線狀，形成Pd被覆層，視需要於Pd被覆層上形成Au層，實施中間熱處理及最終熱處理而獲得。加工方法可使用藉由使線通過被稱為模具之治具而進行加工之被稱為拉拔加工之方法。亦有於形成Pd被覆層、Au層後，再次進行拉拔加工及中間熱處理之情形。對Cu合金芯材之製造方法、Pd被覆層、合金被覆層、Cu表面層之形成方法、中間熱處理及最終熱處理方法詳細地進行說明。

芯材中使用之Cu合金係藉由同時熔解成為原料之Cu及添加之元素，使之凝固而獲得。較佳為成為原料之Cu之純度為99.99wt.%以上，添加之元素之純度為99wt.%以上。其原因在於防止因無意之元素混入至Cu合金芯材，而產生電阻變高等問題。於熔解中可利用電弧加熱爐、高頻加熱爐、電阻加熱爐等。為了防止來自大氣中之O₂、N₂、H₂等氣體之混入，較佳為於真空氛圍或者Ar或N₂等惰性氛圍中進行熔解。

對Pd被覆層、Au層之形成方法進行說明。作為於Cu合金芯材之表面形成Pd被覆層、Au層之方法，可使用電鍍法、蒸鍍法等。電鍍法可應用電解電鍍法、無電電鍍法中之任一者。於被稱為預電鍍、閃熔電鍍之電解電鍍中，電鍍速度較快，與基底之密接性亦良好。無電電鍍中使用之溶液分為置換型及還原型，於厚度較薄之情形時，僅藉由置換型電鍍即足夠，但於厚度較厚之情形時，有效的是於置換型電鍍後階段性地實施還原型電鍍。蒸鍍法可利用濺鍍法、離子電鍍法、真空蒸鍍等物理吸附；及電漿CVD(chemical vapor deposition，化學氣相沈積)等化學吸附。均為乾式，無需Pd被覆層、Au層形成後之清洗，不存在清洗時之表面污染等之擔憂。

針對Pd被覆層、Au層之形成，於粗徑之Cu合金芯材形成該等層後，複數次拉拔至目標線徑之方法較為有效。作為於粗徑之Cu合金芯材形成Pd被覆層、Au層之方法之具體例，可列舉：於電解電鍍溶液中一面連續地掃描線一面形成Pd被覆層、Au層之方法；或將粗徑之Cu合金芯材浸漬於電解或無電解之鍍浴中而形成Pd被覆層、Au層之方法等。藉由於Pd被覆層、Au層形成後進行熱處理，Pd被覆層之Pd擴散至Au層中，形成合金被覆層。亦可自最初覆著合金被覆層，而並非藉由於形成Au層後進行熱處理而形成合金被覆層。

其次，對Cu表面層之形成方法進行說明。關於形成Cu表面層之方法，於在粗徑之Cu合金芯材形成Pd被覆層或Au層後進行拉拔，藉由中間熱處理而使Cu合金芯材中之Cu擴散至Pd被覆層或合金被覆層之表面之方法較為有效。Pd被覆層或合金被覆層中之Cu之擴散速度可藉由熱處理溫度及熱處理時間而進行控制。此處，於熱處理溫度過低之情形時或熱處理時間過短之情形時，Cu之擴散不充分，不會充分地形成Cu表面層。反之，於熱處理溫度過高之情形時或熱處理時間過長之情形時，Cu表面層變得過厚，或難以控制Pd被覆層或合金被覆層之厚度。因此，為了形成Cu表面層，必須於中間熱處理中使用適當之熱處理溫度及熱處理時間。

除中間熱處理以外，亦考慮藉由最終熱處理而形成Cu表面層之方法。就實現高密度安裝所要求之迴路直線性之觀點而言，較佳為藉由中間熱處理而形成Cu表面層之方法。其原因在於，若於最終熱處理中於Cu表面層之形成所需之溫度區域進行熱處理，則Cu合金芯材之結晶粒徑粗大化而軟質化，無法獲得高密度安裝所要求之迴路直線性。另一方面，於中間熱處理中，於Cu合金芯材之結晶粒徑粗大化之情形時，可獲得其後之拉拔步驟中之加工性提昇等之效果。

中間熱處理及最終熱處理較佳為，為了防止接合線之氧化或硫化，而於真空氛圍或者Ar或N₂等惰性氛圍中進行。為了有效率地進行製造，中間熱處理及最終熱處理可使用一面連續地掃描線一面進行加熱之方法。

(變化例)

本發明並不限定於上述實施形態，可於本發明之宗旨之範圍內適當變更。

2.實施例

以下，一面示出實施例，一面對本發明之實施形態之接合線具體地進行說明。

(樣本)

首先，對樣本之製作方法進行說明。成為芯材之原材料之Cu使用純度為99.99wt.%以上且剩餘部分包含不可避免之雜質者。Ni、Zn、In、Pt、Pd、B、P、Mg、Sn、Ga、Ge使用純度為99wt.%以上且剩餘部分包含不可避免之雜質者。

芯材之Cu合金係藉由於加工為直徑為

3~6mm之圓柱型之碳坩堝中裝填原料，使用高頻爐，於真空中或者N₂或Ar氣體等惰性氛圍中加熱至1090~1300℃將其熔解後，進行爐內冷卻而製造。對所獲得之

3~6mm之合金進行引伸加工而加工至

0.9~1.2mm後，使用模具連續地進行拉拔加工等，藉此製作

300~350μm之線。於進行拉拔加工之情形時，使用市售之潤滑液，拉拔速度設為20~150m/分鐘。為了去除線表面之氧化膜，進行藉由鹽酸之酸洗處理後，以覆蓋芯材之Cu合金之整個表面之方式以0.2~2.3μm的厚度形成Pd被覆層。進而，一部分之線係於Pd被覆層之上以0.007~0.800μm之厚度形成Au層。於Pd被覆層、Au層之形成中使用電解電鍍法。Pd電鍍液、Au電鍍液使用市售之電鍍液。

其後，藉由進而進行拉拔加工等，製作

70~150μm之線，進行中間熱處理。中間熱處理之熱處理溫度設為510~600℃，線之進給速度設為10~100m/分鐘，熱處理時間設為0.4~2.0秒。中間熱處理後之線係拉拔加工至作為最終線徑之

20μm，進行最終熱處理。最終熱處理之熱處理溫度設為250~470℃，線之進給速度設為20~200m/分鐘，熱處理時間設為0.2~1.0秒。中間熱處理及最終熱處理之熱處理方法係一面連續地掃描線一面進行，一面流通Ar氣體一面進行。將以上述順序所製作之各樣本之構成示於表1-1、表1-2及表2。

Pd被覆層、合金被覆層、Cu表面層、Cu合金芯材中之Zn、In、Pt及Pd之濃度分析係一面自接合線之表面向深度方向藉由Ar離子進行濺鍍一面使用AES裝置進行分析。根據所獲得之深度方向之濃度分佈(深度之單位為SiO₂換算)求出Pd被覆層、合金被覆層及Cu表面層之厚度、Cu合金芯材中之Zn、In、Pt及Pd之濃度。於為包含Cu合金芯材、Pd被覆層、Cu表面層之接合線之情形時，Cu合金芯材與Pd被覆層之交界係以Pd濃度作為基準進行判定。將Pd濃度為70at.%之位置設為交界，將Pd濃度為70at.%以上之區域判定為Pd被覆層，將未達70at.%之區域判定為Cu合金芯材。Pd被覆層與Cu表面層之交界係以Cu濃度作為基準進行判定。將Cu濃度為3at.%之位置設為交界，將Cu濃度為3at.%以上且未達50at.%之區域判定為Cu表面層。又，於為包含Cu合金芯材、Pd被覆層、合金被覆層、Cu表面層之接合線之情形時，Cu合金芯材與Pd被覆層之交界係以Pd濃度作為基準進行判定。將Pd濃度為70at.%之位置設為交界，將Pd濃度為70at.%以上之區域判定為Pd被覆層，將未達70at.%之區域判定為Cu合金芯材。Pd被覆層與合金被覆層之交界係以Au濃度作為基準進行判定。將Au濃度為10at.%之位置設為交界，將Au濃度為10at.%以上且Pd濃度為60at.%以上之區域判定為合金被覆層，將Au濃度未達10at.%之區域判定為Pd被覆層。合金被覆層與Cu表面層之交界係以Cu濃度作為基準進行判定。將Cu濃度為3at.%之位置設為交界，將Cu濃度為3at.%以上且未達50at.%之區域判定為Cu表面層。針對各樣本，對任意之3處進行分析，將所獲得之值之平均值示於表1-1、表1-2及表2。Ni、B、P、Mg、Sn、Ga、Ge等接合線整體中所包含之元素之濃度係藉由ICP發射光譜分析裝置進行測定。

Pd被覆層相對於Cu合金芯材之表面積之存在比率、及合金被覆層相對於Pd被覆層之表面積之存在比率係一面自接合線之表面向深度方向藉由Ar離子進行濺鍍，一面使用AES裝置進行面分析，根據存在Pd被覆層及合金被覆層之面積相對於測定面積之比率算出。進行面分析之區域較佳為相對於線之長邊方向為40μm以上，相對於線短邊方向為10μm以上。

(評價方法)

接合可靠性係製作接合可靠性評價用樣本，藉由暴露於高溫高濕環境時之球接合部之接合壽命進行判定。

接合可靠性評價用樣本係對於一般之金屬框架上之Si基板將厚度1.0μm之純Al成膜而形成之電極，使用市售之打線接合機進行球接合，藉由環氧樹脂進行密封而製作。評價所使用之接合線之線徑設為20μm。環氧樹脂使用水溶性氯離子之濃度為40wt.ppm者。球係一面以流量0.4~0.6L/分鐘流通N₂+5%H₂氣體一面形成，其大小設為

34~36μm之範圍。

使用不飽和型高壓鍋試驗機，將所製作之接合可靠性評價用樣本暴露於溫度130℃、相對濕度85%之高溫高濕環境中。球接合部之接合壽命係每100小時實施球接合部之剪切試驗，設為剪切強度之值成為初期所獲得之剪切強度之1/2的時間。高溫高濕試驗後之剪切試驗係藉由酸處理而去除樹脂，使球接合部露出後進行。

剪切試驗機使用DAGE公司製造之試驗機。剪切強度之值使用隨機選擇之球接合部之10處之測定值的平均值。於上述評價中，若接合壽命未達250小時，則判斷為實用上有問題且記為△標記，若為250~500小時，則判斷為實用上不存在問題且記為○標記，於超過500小時之情形時，判斷為尤其優異且記為◎標記，記載於表3及表4之「接合可靠性」之欄。

耐毛細管磨耗性係將接合線接合5000次後，形成100個球並進行觀察，根據偏芯之產生數進行判定。關於評價所使用之毛細管，主成分為Al₂O₃，一般使用

20μm之接合線之接合中所使用之市售的毛細管。球係一面以流量0.4~0.6L/分鐘流通N₂+5%H₂氣體一面形成，其大小設為

34~36μm之範圍。於100個球中3個以上產生偏芯之情形時，判斷為耐毛細管磨耗性有問題且記為△標記，於不良為2個以下之情形時，判斷為優異且記為○標記，記載於表3及表4之「耐毛細管磨耗性」之欄。

耐表面損傷性係藉由於進行接合線之接合後，觀察100條迴路部分之接合線之表面時之表面損傷的產生數進行判定。關於評價中所使用之毛細管，主成分為Al₂O₃，一般使用

20μm之接合線之接合中所使用之市售的毛細管。於觀察之100個迴路部分中4條以上產生表面損傷之情形時，判斷為耐表面損傷性有問題且記為△標記，於表面損傷為3條以下之情形時，判斷為優異且記為○標記，記載於表3及表4之「耐表面損傷性」之欄。

楔形接合部中之楔形接合性之評價係對引線框架之引線部分進行1000條的接合，藉由接合部之剝離之產生頻度進行判定。引線框架使用經實施1~3μm之Ag電鍍之引線框架。於本評價中，假定與通常相比更嚴格之接合條件，將平台溫度設定為低於一般之設定溫度區域之150℃。於上述評價中，於6個以上產生不良之情形時，判斷為有問題且記為△標記，於不良為1~5個之情形時，判斷為不存在問題且記為○標記，於未產生不良之情形時，判斷為優異且記為◎標記，記載於表3及表4之「楔形接合性」之欄。

迴路形成性之評價係藉由直線性及高度之偏差進行判定。迴路之形成條件係將迴路長度設為2mm，將最大高度設為80μm。迴路之最大高度係自球接合部之電極之表面至線之最高地點的距離。直線性之評價係對1個條件藉由掃描式電子顯微鏡觀察50條接合線，於藉由直線將球接合部與楔形接合部連結之軸與接合線之間之最大之偏差未達45μm的情形時判斷為良好，於45μm以上之情形時判斷為不良。高度之偏差之評價係對1個條件藉由掃描式電子顯微鏡觀察50條接合線，算出平均之高度，於自平均值之偏差未達±15μm之情形時判斷為良好，於為±15μm以上之情形時判斷為不良。於上述評價中，於6條以上產生直線性及高度偏差中之任一不良之情形時，判斷為有問題且記為△標記，於不良為1~5條之情形時，判斷為不存在問題且記為○標記，於未產生不良之情形時，判斷為優異且記為◎標記，記載於表3及表4之「迴路形成性」之欄。

球接合部之壓扁形狀之評價係自正上方觀察已進行接合之球接合部，藉由其真圓性進行判定。接合對象使用於Si基板上將厚度1.0μm之Al-0.5%Cu之合金成膜而成之電極。觀察係使用光學顯微鏡，對1個條件觀察200個。關於為自真圓之偏差較大之橢圓狀者、變形具有各向異性者，判斷為球接合部之壓扁形狀不良。於上述評價中，於6個以上產生不良之情形時，判斷為有問題且記為△標記，於為1~5個之情形時，判斷為不存在問題且記為○標記，於均獲得良好之真圓性之情形時，判斷為尤其優異且記為◎標記，記載於表3及表4之「壓扁形狀」之欄。

剛接合後之球接合部之接合強度係藉由剪切試驗進行測定。剪切強度之值使用隨機選擇之球接合部之10處之測定值的平均值。於上述評價中，若每單位接合面積之接合強度未達10kg/mm²則判斷為實用上有問題且記為△標記，若為10kg/mm²~12kg/mm²則判斷為實用上不存在問題且記為○標記，於超過12kg/mm²之情形時判斷為尤其優異且記為◎標記，記載於表3及表4之「球接合部之接合強度」之欄。

(評價結果)

實施例1~48之接合線具有Cu合金芯材、形成於上述Cu合金芯材之表面之Pd被覆層、及形成於上述Pd被覆層之表面之Cu表面層，且包含Ni，Ni相對於線整體之濃度為0.1~1.2wt.%，上述Pd被覆層之厚度為0.015~0.150μm，上述Cu表面層之厚度為0.0005~0.0070μm。藉此，確認到實施例1~48之接合線可獲得良好之接合可靠性、以及優異之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性。另一方面，比較例1~8表示於不存在Pd被覆層或Cu表面層之情形時、或即便存在該等，Ni濃度為0.08wt.%以下或1.3wt.%以上、Pd被覆層之厚度為0.013μm以下或0.16μm以上、Cu表面層之厚度為0.0004μm以下或0.0075μm以上時，於接合可靠性、耐毛細管磨耗性或耐表面損傷性改善中亦無法獲得充分之改善效果。

確認到實施例17~22、24、26~30、32、34~48係於Pd被覆層與Cu表面層之界面具有合金被覆層，且上述合金被覆層之厚度為0.0005~0.0500μm，藉此可獲得優異之接合可靠性及楔形接合性。

確認到關於實施例23~34、41~43，Cu合金芯材進而包含選自Zn、In、Pt及Pd中之至少1種以上之元素，且Cu合金芯材中所包含之上述元素之濃度為0.05~0.50wt.%，藉此可獲得優異之迴路形成性。

確認到關於實施例35~43，接合線進而包含選自B、P、Mg及Sn中之至少1種以上之元素，且上述元素相對於線整體之濃度為1~110wt.ppm，藉此可獲得真圓性優異之球接合部之壓扁形狀。

確認到關於實施例1~16、23、25、31、33，Pd被覆層相對於Cu合金芯材之表面積之存在比率為60%以上，可獲得良好之接合可靠性、以及優異之耐毛細管磨耗性及耐表面損傷性。確認到關於實施例17~22、24、26~30、32、34~48，Pd被覆層相對於Cu合金芯材之表面積之存在比率為60%以上，合金被覆層相對於Pd被覆層之表面積之存在比率為60%以上，可獲得良好之接合可靠性、及優異之耐毛細管磨耗性、耐表面損傷性、以及優異之接合可靠性及楔形接合性。

確認到關於實施例44~48，接合線進而包含選自Ga、Ge中之至少1種以上之元素，上述元素相對於線整體之濃度為0.02~1.2wt.%，藉此可獲得剛接合後之球接合部之優異之接合強度。

Claims

一種半導體裝置用接合線，其係具有Cu合金芯材、形成於上述Cu合金芯材之表面之Pd被覆層、及形成於上述Pd被覆層之表面之Cu表面層者，其特徵在於：包含Ni，Ni相對於線整體之濃度為超過0.08wt.%且1.2wt.%以下，上述Pd被覆層之厚度為0.015~0.150μm，上述Cu表面層之厚度為0.0005~0.0070μm。
如請求項1之半導體裝置用接合線，其中於上述Pd被覆層與上述Cu表面層之間具有包含Au及Pd之合金被覆層，上述合金被覆層之厚度為0.0005~0.0500μm。
如請求項1或2之半導體裝置用接合線，其中上述Cu合金芯材進而包含選自Zn、In、Pt及Pd中之至少1種以上之元素，上述元素之濃度為0.05~0.50wt.%。
如請求項1或2之半導體裝置用接合線，其進而包含選自B、P、Mg及Sn中之至少1種以上之元素，上述元素相對於線整體之濃度為1~110wt.ppm。
如請求項1或2之半導體裝置用接合線，其進而包含選自Ga、Ge中之至少1種以上之元素，上述元素相對於線整體之濃度為0.02~1.2wt.%。
一種半導體裝置用接合線，其係具有Cu合金芯材、形成於上述Cu合金芯材之表面之Pd被覆層、及形成於上述Pd被覆層之表面之Cu表面層者，其特徵在於：包含Ni，Ni相對於線整體之濃度為超過0.08wt.%且1.2wt.%以下，上述Pd被覆層之厚度為0.015~0.150μm，上述Cu表面層之厚度為0.0005~0.0070μm，上述Cu表面層之Cu濃度為3at.%以上且未達50at.%。