CN100532598C - 接合性、直线前进性及耐树脂流动性好的焊线用金合金线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种接合性、直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线。该种焊线用金合金线具有含有Ca：40～80ppm、Eu：5～40ppm，且其余的由Au及不可避免的杂质构成的成分组成，其中，当将该焊线用金合金线的0.2%屈服强度设为σ0.2、杨氏模量设为E、伸长率设为EL时，满足下列条件：E≥75GPa，(σ0.2/E)≥2.2×10-3，3%＜EL≤10%。
Description
技术领域
本发明涉及为了将晶体管、LSI、IC等半导体元件的芯片电极与外部金属线部连接而使用的接合性，直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线。
背景技术
众所周知，通常，作为为了连接晶体管、LSI、IC等半导体元件的芯片电极和外部金属线部的焊线，使用在高纯度金中含有Ca、Be、Eu、Nb、Mg、Y、La、Ge、Ag、Pt等组成的焊线用金合金线。例如，专利文献1中记载了由具有如下组成的金合金线构成的焊线，在含有不到0.001质量％的不可避免杂质、纯度为99.999质量％以上的高纯度金中，使其含有Ca：0.0001～0.003质量％、Be：0.0001～0.001质量％、Eu：0.0001～0.004质量％、Nb：0.0001～0.003质量％，并且，它们的共计添加量为0.0013～0.01质量％；再譬如，在专利文献2中记载了一种楔形焊接用金金合金线，其中，金的纯度为99.9质量％以上，含有Ca1～100质量ppm，并且根据需要含有Mg、Y、La、Eu、Ge、Ag、Pt中的至少一种1～100质量ppm，同时根据需要还含有Be1～20质量ppm，其拉伸强度为33.0kg/mm2以上，伸长率为1～3％。
【专利文献1】日本专利公开平6-33168号公报
【专利文献2】日本专利公开平10-98063号公报
近年，由于随着半导体元件集成化的进展，半导体元件的Al垫面积变小，变成了使用耐热性低的基板，所以与以前相比，要求要在低温、小接合面积上获得良好的接合。
再者，随着半导体元件集成化的进展，半导体元件的芯片电极的间隔变窄，因此，线间隔变窄，所以对作为半导体焊线使用的金合金线的线径要求更加细。
另外，另一方面，将半导体元件的芯片电极与外部金属线部接合的回线部的长度(以下，称回线长度)变长，同时，与平行焊接的相邻回线的间隔就变窄。
为了应对上述现状，若将作为焊线使用的金合金线的线径更加细，则当把绕着的金合金线从线轴取出时，在金合金线上容易发生卷曲或蜿蜒(弯曲或变弯)，而且，若使用这种存在卷曲或蜿蜒(弯曲或变弯)的金合金线进行焊接，则因相邻的焊线接触而发生短路，而出现半导体芯片的不良品，且成品率降低。特别是若由金合金构成的焊线的线径不到20μm，则在刚从线轴抽出的线上容易发生卷曲或蜿蜒(弯曲或变弯)。将刚从线轴抽出的线上不发生卷曲或蜿蜒(弯曲或变弯)，而且通过焊接形成的回线与相邻的回线不接触的性质叫做焊线的直线前进性，若这种直线前进性不到，则因与相邻的回线接触而短路，产生半导体装置的不良品，而成品率降低。
另外，将线焊接而形成回线后，用树脂模塑，但模塑时，若焊线被树脂流动，则因与相邻的回线接触而短路，产生半导体装置的不良品，而成品率降低。对于该树脂的流动，以往的焊线用金合金线的线径为25μm或30μm时，很少成为问题。然而，随着半导体元件的高集成化的进展，半导体元件的芯片电极的间隔变窄，为了应对这些，将线的线径弄细而进行焊接，但是，当线径不到20μm时，树脂模塑时回线容易被流动。因此，即使线径细的线也有必要具有不易发生树脂流动的特性(以下，将该特性称为耐树脂流动性)。
发明内容
在此，本发明的发明者，为了开发接合性、直线前进性优秀，且焊线不被树脂流动的性质(以下，将该性质称为耐树脂流动性)优秀的焊线用金合金线，进行研究的结果如下：
1.含有Ca：40～80ppm、Eu：5～40ppm，且其余的由Au及不可避免杂质组成的金合金线；
2.含有Ca：40～80ppm、Eu：5～40ppm，还含有Ba、Sr、Bi、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中的一种或两种以上共计5～19ppm，且其余的由Au及不可避免杂质组成的金合金线；
3.含有Ca：40～80ppm、Be：1～10ppm、Eu：5～40ppm，且其余的由Au及不可避免杂质组成的金合金线；
4.含有Ca：40～80ppm、Be：1～10ppm、Eu：5～40ppm，还含有Ba、Sr、Bi、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中的一种或两种以上共计5～19ppm，且其余的由Au及不可避免杂质组成的金合金线；
5.在上述1-4所述的金合金线上、还含有Ag：1～10ppm，且其余的由Au及不可避免杂质组成的金合金线中，
其金合金线的0.2％屈服强度、杨氏模量、伸长率会影响到接合性、直线前进性及耐树脂流动性，通过规定这些，可使其接合性、直线前进性及耐树脂流动性进一步提高，若含有这些特定成分组成的焊线用金合金线的0.2％屈服强度为σ0.2、杨氏模量为E、伸长率为EL时，则满足E≥75GPa，(σ0.2/E)≥2.2×10-3，3％<EL≤10％的条件，从而可进一步提高焊线用金合金线的接合性、直线前进性及耐树脂流动性。
本发明由下列研究结果构成，其特征在于：
(1)一种焊线用金合金线，其中，含有Ca：40～80ppm、Eu：5～40ppm，且其余的由Au及不可避免的杂质成分组成，当该焊线用金合金线的0.2％屈服强度为σ0.2、杨氏模量为E、伸长率为EL时，则满足E≥75GPa，(σ0.2/E)≥2.2×10-3，3％<EL≤10％条件的接合性、直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线；
(2)一种焊线用金合金线，其中，含有Ca：40～80ppm、Eu：5～40ppm，还含有Ba、Sr、Bi、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中的一种或两种以上共计5～19ppm，且其余的由Au及不可避免的杂质成分组成，当所述焊线用金合金线的0.2％屈服强度为σ0.2、杨氏模量为E、伸长率为EL时，则满足E≥75GPa，(σ0.2/E)≥2.2×10-3，3％<EL≤10％条件的接合性、直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线；
(3)一种焊线用金合金线，其中，含有Ca：40～80ppm、Be：1～10ppm、Eu：5～40ppm，且其余的由Au及不可避免的杂质成分组成，当所述焊线用金合金线的0.2％屈服强度为σ0.2、杨氏模量为E、伸长率为EL时，则满足E≥75GPa，(σ0.2/E)≥2.2×10-3，3％<EL≤10％条件的接合性、直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线；
(4)一种焊线用金合金线，其中，含有Ca：40～80ppm、Be：1～10ppm、Eu：5～40ppm，还含有Ba、Sr、Bi、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中的一种或两种以上共计5～19ppm，且其余的由Au及不可避免的杂质成分组成，当所述焊线用金合金线的0.2％屈服强度为σ0.2、杨氏模量为E、伸长率为EL时，则满足E≥75GPa，(σ0.2/E)≥2.2×10-3，3％<EL≤10％条件的接合性、直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线；
(5)上述焊线用金合金线，还含有Ag：1～10ppm，且其余的由Au及不可避免的杂质成分组成的、上述(1)、(2)、(3)、(4)所述的接合性、直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线。
本发明的接合性、直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线，通过将具有上述(1)～(5)所述的成分组成的金合金线原材料伸线加工至所定直径，而制造焊线用金合金线；在将得到的金合金线原材料退火的焊线用金合金线的制造工程中，在比以往退火温度低的550℃以下进行退火制造。上述金线原材料的伸线加工时1模(ダイス)的断面收缩率为比以往的断面收缩率低的5％以下为宜。
以下，对于在本发明的接合性、直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线中，将成分组成、0.2％屈服强度σ0.2、杨氏模量E、伸长率EL如上述限定的理由进行说明。
[I]成分组成
(a)Ca：
Ca成分，有比Au的原子半径大，使Au的结晶格子变歪，提高焊线用金合金线的机械强度及无空气球的加工硬化性的同时，还提高再结晶温度、降低焊线用金合金线回线高度的效果。但是，即使添加Ca 40ppm未满，因无空气球的加工硬化性低，而接合性低，且强度低，不能满足杨氏模量E≥75GPa，(σ0.2/E)≥2.2×10-3的条件，所以不太理想。另一方面，若含有Ca 80ppm以上，则在球焊时形成的无空气球的表面上生成大量的氧化物，且在无空气球底部中央形成对接合不起作用的大缩孔，使最初焊接的接合性降低，所以不太理想。因此，将本发明的焊线用金合金线中包含的Ca定为40～80ppm。
(b)Eu：
Eu成分，有比Au的原子半径大，使Au的结晶格子变歪，提高焊线用金合金线的机械强度及无空气球的加工硬化性的同时，还提高再结晶温度、降低焊线用金合金线回线高度的效果。但是，即使添加Eu 5ppm未满，也无法确认强度及接合性的提高，另一方面，若含有Eu 40ppm以上，和Ca同样，则在球焊时形成的无空气球的表面上生成大量的氧化物，且在无空气球底部中央形成对接合不起作用的大缩孔，使最初接合的接合性降低，所以不太理想。因此，将本发明的焊线用金合金线中包含的Eu定为5～40ppm。
(c)Be：
Be比Au的原子半径小，同样使Au的结晶格子变歪，提高焊线用金合金线的机械强度，另外，由于与Ca及Eu同时含有，而具有降低再结晶温度的效果，所以具有可提高回线高度的、可实现适当回线高度的效果，必要时可添加。但是，添加量不到1ppm时，得不到预定效果，另一方面，若含有10ppm以上，则在无空气球表面上生成大量的氧化物，且缩孔增大，发生球正上方及球部的结晶粒径增大，使压接球部的真圆性降低，所以不太理想。因此，将本发明的焊线用金合金线中包含的Be定为1～10ppm。
(d)Ba、Sr、Bi、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Ho、Er、Tm、Yb及Lu：
碱土金属Ba及Sr、周期表5b族的Bi、以及稀土元素Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Ho、Er、Tm、Yb及Lu也具有提高焊线用金合金线的机械强度并且提高无空气球的加工硬化性的效果，因此，根据需要添加。但是，其添加量不到5ppm时，得不到预定效果，另一方面，若超过19ppm含有，则在无空气球表面生成大量的氧化物，且在无空气球底部中央形成对接合不起作用的大缩孔，使最初接合的接合性降低，所以不太理想。因此，将本发明的焊线用金合金线中包含的这些成分定为5～19ppm。
(e)Ag：
Ag，根据需要可含有0.5～10ppm。这是因为Ag即使含有0.5～10ppm也几乎不对特性产生影响。但是，若超过10ppm添加，最初接合的接合性降低，所以不太理想。因此，将本发明的焊线用金合金线中包含的Ag成分定为0.5～10ppm。
[II]机械特性
杨氏模量E：
若杨氏模量E小于75GPa，金属线焊接后模塑时，焊线被树脂大大流动，结果，与相邻的回线接触，短路的频度增大，降低半导体芯片的成品率，所以不太理想。因此，将本发明的焊线用金合金线的E定为75GPa以上。
σ0.2/E：
σ0.2/E的值越大，焊线用金合金线的直线前进性也提高，当σ0.2/E为2.2×10-3以上时，因直线前进性急剧提高，所以定为(σ0.2/E)≥2.2×10-3。
延伸EL：
延伸EL在3％或其以下时，直线前进性很低，延伸大于10％时，很多成为E<75GPa、或(σ0.2/E)<2.2×10-3，直线前进性降低，所以不太理想。因此，将焊线用金合金线的EL定为3％<EL≤10％。
本发明中，焊线用金合金线的断裂伸长率EL(％)、0.2％屈服强度σ0.2(Pa)以及杨氏模量E(Pa)的测定是在室温下、焊线用金合金线的标点间距离100mm，拉伸速度10mm/分的条件下，由拉伸试验机拉到断裂为止而测定的。
在此，将变形和拉伸应力定义如下：
变形＝焊线用金合金线的延伸(mm)/100mm，
拉伸应力(Pa)＝拉伸负荷(N)/焊线用金合金线的初期截面面积(m2)
断裂伸长率EL(％)、0.2％屈服强度σ0.2(Pa)及杨氏模量E(Pa)的定义如下：
断裂伸长率EL(％)＝断裂时的变形×100＝[断裂时的延伸(mm)/100(mm)]×100
0.2％屈服强度σ0.2(Pa)：向焊线用金合金线施加0.2％的永久变形时的拉伸应力(Pa)，
杨氏模量E(Pa)：在拉伸应力与变形成正比的范围内，拉伸应力与变形的比，即拉伸应力(Pa)/变形
如上所述，使用本发明的焊线用合金线进行接合时，很少与相邻回线接触，可使半导体装置的成品率提高等，给产业带来良好的效果。
具体实施方式
将线径50μm、具有表1～12所示成分组成的金合金线原材料，以1模断面收缩率4.8％进行伸线加工，制成线径18μm的金合金线，将该金合金线按表13～24所示的温度退火，制成本发明的焊线用金合金线(以下，称作本发明金属线)1～184、比较焊线用金合金线(以下，称作比较金属线)1～42以及以前焊线用金合金线(以下，称作原金属线)1～5，并卷到半径50mm的中间线轴上。其中，在退火及卷绕工程中，使金属线进路变更用滑车的半径全部为9mm。往卷绕在中间线轴的金属线上涂润滑剂，往半径25mm的线轴上卷绕2000m，将金属线端部的15m扔掉，测定金属线的伸长率EL、杨氏模量E、0.2％屈服强度σ0.2，进一步算出σ0.2/E，将其结果表示在表13～24中。进行这些测定所用的样品，长度全部10cm，样品数5个，取其平均值表示在表13～24中。将具有表13～24所示机械特性的本发明的金属线1～184、比较金属线1～42以及原金属线1～5安装到Kulicke & Soffa制的焊线机(马库萨姆普拉斯，(マクサムプラス))上，在下列条件下进行焊接：
加热温度：130℃，
垫间距：45μm间隔
回线(loop)长度：5mm，
回线高度：220μm，
球径：34μm，
球高：8μm
制造10000条回线，进行关于直线前进性、接合性及球的真圆性评价。
直线前进性：
通过测定相邻回线之间的接触部位的个数，将其结果表示在表13～24中来评价其直线前进性。
接合性：
通过测定最初(first)接合部没接合的个数(ball lift数)、将其结果表示在表13～24中来评价其接合性。
球的真圆性：
通过对每个样品观察100个压接球，全部良好时圈上○，有1个不良时打上×，将其结果表示在表13～24中来进行评价。
对具有表13～24所示机械特性的本发明的金属线1～184、比较金属线1～42以及原金属线，进行下列评价：
回线高度：
通过将具有表13～24所示机械特性的本发明的金属线1～184、比较金属线(wire)1～42以及原金属线1～5安装到Kulicke & Soffa制的焊线机(马库萨姆普拉斯)上，不转折，在球径34μm、球高8μm、回线长度1mm的条件下，形成回线，使用光学显微镜，测定回线最高处和金属线框架的高度，将其差作为回线的高度求出，并将其结果表示在表13～24中来进行回线高度评价。
耐树脂流动性：
通过将搭载回线长度3.5mm条件下接合的半导体芯片的金属线框架采取模塑装置、使用环氧树脂封装后，使用软X射线非破坏性检验装置，对树脂封装的半导体芯片内部进行X线投影，测定20条金属线流动最大部分的流动量，将其平均值用回线长度相除所得的值(％)定义为树脂流动性，测定该树脂流动性，将其结果表示在表13～24中来进行耐树脂流动性评价。
表1～24所示的结果表明，本发明的金属线1～184的直线前进性、接合性、球的真圆性以及耐树脂流动性良好，特别是接合性、直线前进性及耐树脂流动性良好，而比较金属线1～42及原金属线1～5中，这些特性的至少一种不良。
另外，实施例表明，回线高度，根据设备不同要求的值也不同，虽没有优劣，但可通过添加Be>lppm进行调节。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
[表5]
[表6]
[表7]
[表8]
[表9]
[表10]
*表示不符合本发明条件的值。
[表11]
*表示不符合本发明条件的值。
[表12]
*表示不符合本发明条件的值。
[表13]
[表14]
[表15]
[表16]
[表17]
[表18]
[表19]
[表20]
[表21]
[表22]
*表示不符合本发明条件的值。
[表23]
[表24]
*表示不符合本发明条件的值。
Claims (4)
1.一种焊线用金合金线，是接合性、直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线，其具有含有Ca：40～80ppm、Eu：5～40ppm，且其余的由Au及不可避免的杂质构成的成分组成，其中，当将该焊线用金合金线的0.2％屈服强度设为σ0.2、杨氏模量设为E、伸长率设为EL时，满足下列条件：
E≥75GPa，
(σ0.2/E)≥2.2×10-3，
3％<EL≤10％。
2.根据权利要求1所述的接合性、直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线，其特征在于：还含有Be：1～10ppm。
3.根据权利要求1或2所述的接合性、直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线，其特征在于：其还含有Ba、Sr、Bi、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中的一种或两种以上共计5～19ppm。
4.根据权利要求1所述的接合性、直线前进性及耐树脂流动性优秀的焊线用金合金线，其特征在于：
所述焊线用金合金线还含有Ag：0.5～10ppm。
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