[發(fā)明專利]一種半導體器件用鍵合銅合金絲及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410333092.5
• 申請日: 2014-07-14
• 公開（公告）號: CN104087780A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發(fā)明（設計）人: 周振基;周博軒;任智
• 申請（專利權）人: 汕頭市駿碼凱撒有限公司
• 主分類號: C22C9/00
• 分類號: C22C9/00;C22F1/08;B21C1/02;H01L23/49
• 代理公司: 汕頭市潮睿專利事務有限公司 44230
• 代理人: 林天普;丁德軒

技術領域

本發(fā)明涉及用于半導體器件（如集成電路）邦定的材料，具體涉及一種半導體器件用鍵合銅合金絲，以及這種鍵合銅合金絲的制造方法。

背景技術

鍵合絲（bonding?wire）是連接芯片與外部封裝基板（substrate）和/或多層線路板（PCB）的主要連接方式。鍵合絲發(fā)展趨勢，從應用方向上主要是線徑細微化、高車間壽命（floor?life）以及高線軸長度；從化學成分上，主要有銅線（包括裸銅線、鍍鈀銅線、閃金鍍鈀銅線）在半導體領域大幅度取代金線，而銀線和銀合金線在LED以及部分IC封裝應用上取代金線。

相對于金線，銅線主要的優(yōu)勢是：（1）產(chǎn)品成本低；（2）線材機械強度高，在形成線弧（loop）后的灌膠的過程中抗沖擊能力強，減少了線材的晃動（wire?sweep），更適合于細間距封裝；（3）導電性高?（銅的電阻率遠低于金）；（4）與Al-Au共晶相比較，Al-Cu共晶相的生長速率低許多，因此可靠性大幅度提升。但是，銅鍵合絲存在以下問題：（1）線材容易氧化；（2）線材硬度高，在打線時容易對IC造成損傷；（3）容易受腐蝕；（4）在塑封后的熱循環(huán)過程中，球頸部容易產(chǎn)生疲勞失效。

目前，銅線的成球過程需要采用氮氫混合氣（Forming?gas，由5%(體積)的?H₂?+95%(體積)?的N₂組成）或者純氮氣（N₂）做保護，而出于成本原因，更多的企業(yè)希望采用純氮氣做保護。由于成球FAB表面的氧化等問題，造成FAB與IC鋁焊盤（Pad）焊后，其結(jié)合面比率偏低（結(jié)合面比率是焊接結(jié)合區(qū)域的面積與總體接觸面積之比，通常大于80%才合格）。隨后的金屬間化合物（IMC）形成和生長特性，以及金屬間化合物的覆蓋率（coverage）等因素，都會影響最終的凈界面電阻率。結(jié)合面比率越低，金屬間化合物越厚，金屬間化合物的覆蓋率越低，則凈界面電阻率越高，這降低了線材的導電性能，增加了可靠性風險。

焊接結(jié)合面比率與許多因素相關，其中最主要的是線材本身的特性（如線材表面氧化度），F(xiàn)AB表面和IC?焊點表面的清潔度和氧化度。通過采用焊前等離子體（plasma）處理，去除IC?焊點表面雜物等手段，能有效提高結(jié)合面比率，然而這種方法比較費時且昂貴。

由于銅線表面容易氧化等特點，直接造成其車間壽命短。在N₂氣氛下，其在球焊過程中容易出現(xiàn)偏心球，球焊點焊接不牢，焊點導電性能下降，可靠性低等問題，因此在使用過程中必須采用氮氫混合氣作保護，從而增加了焊接過程的成本和安全生產(chǎn)的難度。

為克服以上問題，目前出現(xiàn)了表面鍍鈀的銅線，以改善抗氧化問題，并提高成球性能（FAB）和第二焊點的工藝窗口。然而，采用鍍鈀工藝，增加了產(chǎn)品成本，并導致銅線的硬度進一步增加。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種半導體器件用鍵合銅合金絲以及這種鍵合銅合金絲的制造方法，這種鍵合銅合金絲具有較強的抗氧化能力，在N₂氣氛下球焊時有較大的結(jié)合面積和較高的結(jié)合強度，導電能力強，可靠性高。采用的技術方案如下：

一種半導體器件用鍵合銅合金絲，其特征在于所述鍵合銅合金絲含有下述重量配比的成分：銅100份，鈀0.5－1.5份，氫0.0005－0.002份。

通過向銅（Cu）和鈀（Pd）的合金中引入一定量的氫（H），可提升鍵合銅合金絲的抗氧化能力。這種鍵合銅合金絲與IC和LED焊面Pad所形成的第一焊點界面的初始金屬間化合物（IMC）覆蓋率高，金屬間化合物生長速率慢，可靠性高。

優(yōu)選方案中，上述鍵合銅合金絲還含有0.002－0.01份添加劑，所述添加劑是磷、鎂和鉍中的一種或其中多種的組合。通過添加磷（P）、鎂（Mg）、鉍（Bi），可進一步改善鍵合銅合金絲的機械性能，并且能提升球焊接時變形球的圓度（squashed?ball?roundness）,提升生產(chǎn)和拉弧線（looping）時的效率和穩(wěn)定性，從而滿足細間距焊接的要求。上述含量的磷（P）、鎂（Mg）、鉍（Bi），的存在，對氫的吸收和氫在鍵合銅合金絲中的儲存沒有不良的影響。

本發(fā)明還提供上述半導體器件用鍵合銅合金絲的一種制造方法，其特征在于依次包括下述步驟：

（1）按重量計，將100份銅和0.5－1.5份鈀熔合成銅鈀合金熔體，再經(jīng)過拉絲處理，獲得直徑為2－8毫米的銅鈀合金線材；

（2）對步驟（1）得到的銅鈀合金線材進行多道次拉拔，得到直徑為18－50微米的銅鈀合金絲；