TWI750449B - 接合線 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種接合線，其即便是在接合於由Al合金構成的電極時，仍可抑制於接合線與電極之接合部分產生裂痕或克根達孔隙，且經歷長時間，其接合可靠性仍高。本發明之接合線作成：Cu之含量為0.1質量%以上且5.0質量%以下；Ca之含量為1質量ppm以上且100質量ppm以下；選自於由Nd、Sm及Gd所構成群組中之1種或2種以上元素之含量合計為1質量ppm以上且100質量ppm以下；Ca之含量與選自於由Nd、Sm及Gd所構成群組中之1種或2種以上元素之含量合計為5質量ppm以上且150質量ppm以下；剩餘部分由Au構成。

Description

接合線
發明領域 本發明是有關於一種接合線。
背景技術 作為連接半導體元件上的電極與基板電極的方法，已知的是以下方法：如圖1所示，將藉由放電加熱等形成於接合線W前端的FAB(自由結球，Free Air Ball)壓抵於其中一電極10而進行1st接合後，將接合線之外周面壓抵於另一電極10’而進行2nd接合，即進行球形結著法，以該球形結著法連接電極10、10’；或如圖2所示，將FAB壓抵於其中一者之電極20而接合後，切斷接合線W而於其中一者之電極20形成凸塊22，並透過該凸塊22及焊料24，連接另一者之電極20’。
於此種球形結著法或凸塊之形成中使用的接合線，基於化學穩定性或於大氣中的處理容易度，而使用由純度4N(99.99質量%)的Au(金)所構成的接合線。
然而，若將由純度4N的Au所構成的接合線接合於Al(鋁)或Al合金之電極10、20，則形成於電極10上的接合部(以下，有時亦將該接合部稱作「FAB接合部」)12與電極10之界面附近，或是形成於電極20上的凸塊22與電極20之界面附近會生成Au-Al金屬間化合物。因為所生成的Au-Al金屬間化合物，於界面容易產生裂痕或克根達孔隙(Kirkendall void)。
於下述專利文獻1中提出一種接合線，其由Au中複合添加有Cu(銅)及Pd(鈀)的合金構成。
先前技術文獻 專利文獻 專利文獻1：日本特開平8-199261號公報
發明概要 發明欲解決之課題 然而，若於以Au作為主成分的接合線中添加Pd，則雖然可一定程度防止FAB接合部與電極之界面部分的裂痕產生，卻難以防止克根達孔隙的產生，無法滿足接合可靠性。
本發明是有鑑於上述情形而成，目的在提供一種接合線，其即便是在接合於由Al合金構成的電極時，仍可抑制接合線與電極之接合部分產生裂痕或克根達孔隙，且經歷長時間，其接合可靠性仍高。
用以解決課題之手段 為了解決上述課題，本發明之接合線作成以下接合線：其Cu之含量為0.1質量%以上且5.0質量%以下；Ca之含量為1質量ppm以上且100質量ppm以下；選自於由Nd、Sm及Gd所構成群組中之1種或2種以上元素之含量合計為1質量ppm以上且100質量ppm以下；Ca之含量與選自於由Nd、Sm及Gd所構成群組中之1種或2種以上元素之含量合計為5質量ppm以上且150質量ppm以下；剩餘部分由Au構成。
於上述本發明之接合線中，Cu之含量宜小於3質量%，更為理想的是Cu之含量小於1質量%。又，Cu之含量宜為0.3質量%以上。又，Ca之含量與選自於由Nd、Sm及Gd所構成群組中之1種或2種以上元素之含量合計宜為20質量ppm以上且100質量ppm以下。
發明效果 依據本發明，可製得一種接合線，其即便是在接合於由Al合金構成的電極時，仍可抑制於接合線與電極之接合部分產生裂痕或克根達孔隙，且經歷長時間，其接合可靠性仍高。
用以實施發明之形態 以下，參照圖1，說明本發明一實施形態的接合線。
本實施形態的接合線W為利用球形結著法用以連接半導體封裝(例如電源IC、LSI、電晶體、BGAP(球柵陣列封裝，Ball Grid Array Package)、QFN(四面扁平無引腳封裝，Quad Flat Nonlead package)、LED(發光二極體)等)中半導體元件上之電極(例如Al合金電極、鎳-鈀-金被覆電極、Au被覆電極等)10與電路配線基板(引線框架、陶瓷基板、印刷基板等)之導體配線(電極)10’的接合線。
另，本實施形態的接合線W，除了球形結著法外亦可使用在凸塊之形成，又，可使用作為半導體封裝外的各種態樣接合線。
該接合線W係Cu之含量為0.1~5.0質量%；Ca之含量為1~100質量ppm；選自於Nd、Sm及Gd之1種或2種以上元素之含量合計為1~100質量ppm；Ca之含量與選自於由Nd、Sm及Gd所構成群組中之1種或2種以上元素之含量合計為5質量ppm以上且150質量ppm以下；剩餘部分由Au構成。接合線W之線徑可依照用途設為各種大小，舉例言之，可設為5μm以上且150μm以下。
具體而言，構成接合線W的Au亦可含有精製上不可避免而存在的雜質。於Au中，雜質例如可含有Ag、Pd、Cu、Fe(鐵)等。
藉由將Cu之含量設為0.1質量%以上，可抑制因為將已熔融之FAB壓接於如圖1所示電極10而致使裂痕或克根達孔隙在形成於電極10上的FAB接合部12與電極10之界面附近產生，並製得長時間接合可靠性高的接合線。
藉由將Cu之含量設為5.0質量%以下，形成於接合線前端的FAB不會變得過硬，可抑制在將FAB觸壓於電極而接合時產生的電極損傷。
Cu之含量之上限值宜設為3.0質量%以下，更為理想的是設為小於1.0質量%。又，Cu之含量之下限值宜為0.3質量%以上。
藉由將Cu之含量設為3.0質量%以下，可進一步地抑制上述電極損傷。又，藉由將Cu之含量設為3.0質量%以下，形成於接合線前端的FAB之加工硬化可獲抑制，因此，可抑制在將FAB觸壓於電極而接合時產生的電極翻起即「鋁擠出(Al Splash)」。藉由將Cu之含量設為小於1.0質量%，可更進一步地抑制電極損傷及鋁擠出。若Cu之含量為0.3質量%以上，則可使接合可靠性、1st頸強度或2nd接合強度更加良好。
所謂1st頸強度是FAB接合部12與接合線W之邊界部分(以下，有時亦將該邊界部分稱作「1st頸部」)14的強度。所謂2nd接合強度是將接合線W之外周面壓抵於另一電極10’所形成之接合部(以下，有時亦將該接合部稱作「2nd接合部」)16的強度。
藉由含有Ca，如圖1所示，可減小在以接合線W連結電極10、10’時構成的迴路高度H。又，藉由含有Ca，如圖2所示，可減小在以接合線W形成凸塊22時構成的凸塊高度L。Ca之含量可設為1質量ppm以上且100質量ppm以下，理想的是10質量ppm以上且30質量ppm。
與Ca相同，選自於Nd、Sm及Gd之1種或2種以上元素(以下，有時亦稱作「選擇添加元素」)可減小在以接合線W連結電極10、10’時構成的迴路高度H或凸塊高度L。選擇添加元素之含量可設為1質量ppm以上且100質量ppm以下，理想的是10質量ppm以上且30質量ppm。
選擇添加元素會發揮與Ca相同的作用效果，因此，即便是在未添加Ca及選擇添加元素中之任一者之情形時，藉由增加另一者之添加量，亦可減小迴路高度H或凸塊高度L。
在僅添加Ca時或是僅添加選擇添加元素時仍可達成迴路高度H或凸塊高度L之減低。然而，若Ca或選擇添加元素之添加量過多，則FAB之真球度會降低。相對於此，若是與Ca併用Nd、Sm及Gd之選擇添加元素之情形，則相較於僅添加Ca及選擇添加元素中之任一者之情形，FAB之真球度不易降低。故，若是僅添加Ca，欲達成迴路高度H或凸塊高度L之減低以滿足所期望之規格時，FAB之真球度會降低，然而這種情形下藉由併用Ca與選擇添加元素便可維持FAB之真球度。是故，藉由含有Ca及選擇添加元素，相較於僅使用Ca之情形，可維持FAB之真球度，結果還可進一步地減低FAB形成之凸塊高度H。
在同時含有Ca及選擇添加元素時，Ca及選擇添加元素之含量合計可設為5質量ppm以上且150質量ppm以下，理想的是20質量ppm以上且100質量ppm以下。若Ca及選擇添加元素之含量合計為5質量ppm以上，則針對迴路高度H或凸塊高度L可獲得有意義之提升，若Ca及選擇添加元素之含量合計為20質量ppm以上，則其作用會變得更加顯著。若Ca及選擇添加元素之含量合計為150質量ppm以下，則可形成真球度高的FAB，若Ca及選擇添加元素之含量合計為100質量ppm以下，則可形成真球度更高的FAB。
其次，說明此種構造的接合線之製造方法之一例。
首先，製作Au合金，其於純度99.99質量%以上的Au中添加有Cu、Ca、選擇添加元素，且構成Cu為0.1質量%以上且5.0質量%以下、Ca之含量為1質量ppm以上且100質量ppm以下、選擇添加元素之含量為1質量ppm以上且100質量ppm以下。所製得Au合金會藉由連續鑄造法，鑄造成預定直徑的棒狀鑄錠。
接著，將棒狀鑄錠進行伸線加工，縮徑至到達預定直徑而作成接合線。另，亦可視需要於伸線加工途中進行軟化熱處理。
又，在進行伸線加工直到預定直徑後，視需要使其移行過熱處理爐中進行調質熱處理，製得接合線。
以上，說明本發明之實施形態，惟該等實施形態是出示作為例子，並非意圖限制發明範圍。該等實施形態可於其他各種形態下實施，在未脫離發明旨趣之範圍內，可進行各種省略、取代、變更。該等實施形態或其變形係包含於發明範圍或要旨，同樣地包含於申請專利範圍所載發明及其均等之範圍。
實施例 以下，利用實施例更具體地說明本發明，惟本發明並不限於該等實施例。
使用純度99.99質量%以上的Au、純度99.9質量%以上的Cu、Ca、Nd、Sm及Gd，溶解成如下述表1所示組成的Au合金，藉由連續鑄造法製作出棒狀鑄錠。對所製作之棒狀鑄錠施行伸線加工，縮徑至到達直徑20μm，然後，施行調質熱處理，製得實施例1~23及比較例1~8之接合線。另，實施例1~23及比較例1~8之接合線之線徑(直徑)皆為20μm。
[表1]
Figure 02_image001
針對所製得實施例1~23及比較例1~8之接合線，就(1)FAB真球度、(2)FAB接合部與電極之接合可靠性、(3)凸塊高度、(4)晶片損傷、(5)電極之鋁擠出進行評價。具體評價方法如下。
(1)FAB真球度 藉由焊線機(Kaijo Corporation製造，焊線機FB-780)，於大氣中製作線直徑之1.9~2.1倍大小的FAB。FAB真球度之評價方面，就實施例1~23及比較例1~8之接合線每個均各製作100個FAB後，以通用型電子顯微鏡(日本電子(股)製造，JSM-6510LA)進行外觀觀察，分別測定所製作FAB之線平行方向與垂直方向之長度。若FAB之線平行方向長度X與垂直方向長度Y的比(X/Y)之平均值為90%以上且110%以下，則判斷為「真球度高」，定為「◎」，若FAB之線平行方向長度X與垂直方向長度Y的比(X/Y)之平均值為85%以上且小於90%，或是大於110%且為115%以下，則判斷為「有真球度」，定為「○」，若為除此以外或是目視下並非略呈圓形，則定為「×」。
(2)FAB接合部與電極之接合可靠性 使用上述(1)中所用焊線機，於大氣中製作線直徑之1.9~2.1倍大小的FAB，將所製作FAB接合於半導體元件上的Al電極上後，切斷接合線而於Al電極上形成凸塊，製作出熱處理前試樣。又，製作出已將熱處理前試樣進一步於260℃下進行500小時熱處理的試樣，以及將熱處理前試樣進行1000小時熱處理的試樣。分別針對各30個的熱處理前試樣與2種熱處理後試樣，藉由接合試驗機2400(dage公司製造)測定凸塊與Al電極之剪切強度，並自測定值之平均值計算出每單位面積剪切強度。以熱處理後試樣之每單位面積剪切強度在熱處理前試樣之每單位面積剪切強度以上作為判斷基準，若1000小時之熱處理後滿足判斷基準，則判斷為「接合強度之可靠性非常高」，定為「◎」，當1000小時之熱處理後未滿足判斷基準，但500小時之熱處理後滿足判斷基準時，判斷為「具有接合強度之可靠性」，定為「○」，當500小時之熱處理後未滿足判斷基準時，判斷為「接合強度之可靠性低」，定為「×」。
(3)凸塊高度 使用上述(1)中所用焊線機，於大氣中製作線直徑之1.9~2.1倍大小的FAB，將所製作FAB接合於Al電極後，切斷接合線而於Al電極上製作出30個凸塊。藉由光學顯微鏡觀察所製作凸塊，並測定其高度。若測定值之平均值小於50μm，則定為「◎」，若為50μm以上且小於60μm，則定為「○」，若為60μm以上，則定為「×」。
(4)晶片損傷 使用上述(1)中所用焊線機製作試樣，即：於大氣中形成線直徑之1.9~2.1倍大小的FAB，並將所形成FAB接合於Si晶片上的Al電極之試樣。利用王水溶解所製作試樣之電極膜(Al電極)，並以掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察Si晶片之裂痕。觀察100個接合部，當無3μm以上之裂痕且小於3μm之微小凹痕為1個或是完全看不見時，定為「◎」，當3μm以上之裂痕為2個以上且小於5個時，以實用上不成問題而定為「○」，當3μm以上之裂痕為5個以上時，則定為「×」。
(5)電極之鋁擠出 使用上述(1)中所用焊線機製作試樣，即：於大氣中形成線直徑之1.9~2.1倍大小的FAB，並將所形成FAB接合於Si晶片上的Al電極之試樣。以掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察所製作試樣之電極之外觀。觀察100個電極，當與FAB之接合部周邊之電極無法看見鋁翻起，或是1個以上且小於5個時，定為「◎」，當5個以上且小於10個時定為「○」，當10個以上時，則定為「×」。
(6)綜合評價 將各評價中皆為「◎」者定為「◎」，將「○」為一個或二個且其他皆為「◎」者定為「○」，將即便只有一個「×」者定為「×」。另，於該評價中，「◎」自是理所當然，而「×」以外的「○」則視半導體元件種類而定，若依照接合條件上無限制之情形等使用條件，可使用而發揮該發明之作用效果。
[表2]
Figure 02_image003
結果如表2所示，實施例1~23在所有評價項目中構成「◎」或「○」，任一者之評價項目皆可獲得良好之結果。特別是在Cu之含量為3質量%以下的實施例1~14、17~23，電極之鋁擠出構成「◎」，在Cu之含量小於1質量%的實施例1~13、17、18，晶片損傷及電極之鋁擠出雙雙構成「◎」。又，在Cu之含量為0.3質量%以上的實施例1~16、19~23，接合可靠性構成「◎」。在Ca與選擇添加元素之含量合計為20質量ppm以上且100質量ppm以下的實施例1~7、9、14~20、22，FAB真球度及凸塊高度雙雙構成「◎」。在Cu之含量為0.3質量%以上且小於1質量%、且Ca與選擇添加元素之含量合計為20質量ppm以上且100質量ppm以下的實施例1~7、9，於所有評價項目中構成「◎」，屬於優異的線。
另一方面，在不含Cu或是含量不滿0.1%的比較例1及2，FAB接合部與電極之接合強度可靠性構成「×」，在不含選擇添加元素的比較例3、Ca之含量超過100質量ppm的比較例4、以及選擇添加元素之含量超過100質量ppm的比較例5，FAB真球度構成「×」，在不含Ca的比較例6，凸塊高度構成「×」，在Ca與選擇添加元素之總量低於5ppm的比較例7，凸塊高度構成「×」，在Cu之含量超過5.0質量%的比較例8，晶片損傷及電極之鋁擠出構成「×」。
10、10’、20、20’‧‧‧電極 12‧‧‧FAB接合部 14‧‧‧1st頸部 16‧‧‧2nd接合部 22‧‧‧凸塊 24‧‧‧焊料 H‧‧‧迴路高度 L‧‧‧凸塊高度 W‧‧‧接合線
圖1所示者為放大顯示半導體封裝中連結電極間的接合線W。 圖2所示者為電極上形成有凸塊22的狀態。
10、10’‧‧‧電極
12‧‧‧FAB接合部
14‧‧‧1st頸部
16‧‧‧2nd接合部
H‧‧‧迴路高度
W‧‧‧接合線

Claims (6)

  1. 一種接合線，其Cu之含量為0.1質量%以上且5.0質量%以下；Ca之含量為1質量ppm以上且100質量ppm以下；選自於由Nd及Sm所構成群組中之1種或2種元素之含量合計為1質量ppm以上且100質量ppm以下；Ca之含量與選自於由Nd及Sm所構成群組中之1種或2種元素之含量合計為5質量ppm以上且150質量ppm以下；剩餘部分由Au構成。
  2. 如請求項1之接合線，其中Cu之含量為3質量%以下。
  3. 如請求項1之接合線，其中Cu之含量小於1質量%。
  4. 如請求項1至3中任一項之接合線，其中Cu之含量為0.3質量%以上。
  5. 如請求項1至3中任一項之接合線，其中Ca之含量與選自於由Nd及Sm所構成群組中之1種或2種元素之含量合計為20質量ppm以上且100質量ppm以下。
  6. 如請求項4之接合線，其中Ca之含量與選自於由Nd及Sm所構成群組中之1種或2種元素之含量合計為20質量ppm以上且100質量ppm以下。
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