專利名稱：球焊用包覆銅絲的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種包覆銅絲，其用于通過球焊連接半導體元件上的電極和電路配線 基板的配線。
背景技術：
現在，作為通過球焊將半導體元件上的電極和外部端子之間接合的焊絲，主要使 用絲徑為20 50 μ m左右的金絲。該金絲的接合通常采用熱壓接超聲波并用方式，可采用 通用焊接裝置、將焊絲通入其內部用于連接的毛細管夾具等。第一焊接中，用弧光輸入熱將 焊絲前端加熱熔融，利用表面張力形成球后，使該球部壓接在加熱到150 300°C范圍的半 導體元件的電極上。其后，用毛細管夾具使焊絲形成規定線弧(loop)后，在第二焊接中，通 過超聲波壓接使焊絲直接與外部引線側接合并引出。近年來，半導體封裝的結構、材料、連接技術迅速多樣化，例如，封裝結構中，除現 行的使用引線框架的QFP(Quad Flat Packaging)之外，正在尋求使用基板、聚酰亞胺帶 的 BGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip Scale Packaging)等新方式的實用化，且線弧性 (loopcharacteristics)、接合性、批量生產使用性更加提高的焊絲。作為焊絲的接合對象的材質也正在多樣化，硅基板上的配線、電極材料中，除現有 的Al合金以外，適宜更微細配線的Cu正在實用化。另外，大多是在引線框架上施行鍍Ag、 鍍Pd等，以及在樹脂基板、帶等上施與Cu配線，再在其上施與金等貴金屬及其合金的膜。對 應于這樣的各種接合對象，要求提高焊絲的接合性、接合部的可靠性。當初考慮代替一直以來的高純度4N系(純度99. 99質量％以上)的金絲，利用高 純度3N 6N系(純度99. 9 純度99. 9999質量％以上)的銅絲。但是，銅絲存在易氧 化的缺點。根據引線接合技術的要求，重要的是在形成球時，形成圓球度良好的球，在其球 部和電極的接合部得到充分的接合強度，但是，特別是在第一焊接中，當形成熔融球時，由 于熔融銅帶入大氣中的氧而氧化、固化，所以存在球變硬，使半導體芯片開裂這種致命的缺 陷。因此，高純度3N 6N系的銅絲不得不在還原性氣氛中使用，使球焊用包覆銅絲對半導 體裝置的應用范圍受到限制。另一方面，已提出了可以在Cu或Cu-Sn等芯材的外周設置0. 002 0. 5 μ m的Pd、 Pd-Ni、Pd-Co等包覆層，改善抗蝕性以及強度的設計(參照專利文獻1)。另外，作為防止銅 焊絲的表面氧化的方法，已提出了用金、銀、鉬、鈀、鎳、鈷、鉻、鈦等貴金屬或抗蝕性金屬將 銅包覆的焊絲(參照專利文獻2 專利文獻4)。專利文獻1 (日本)實開昭60-160554號公報專利文獻2 (日本)特開昭62-97360號公報專利文獻3 (日本)特開2005-167020號公報專利文獻4 (日本)特許4203459號公報
發明內容
但是，即使是包覆銅絲，在第二焊接中將包覆銅絲扯斷時，在前端的切斷面芯材的 銅也會露出，結果露出面的銅會被氧化。因此，在第一焊接中，當想使包覆銅絲形成球形時， 用貴金屬進行了涂覆的銅芯材不會氧化，但在熔融固化的球的底部，露出面的銅的氧化膜 會作為痕跡殘留，因此，存在如下問題，即應固定在半導體芯片上的球部硬化，第一焊接的 球接合時，使半導體芯片損傷。鑒于上述狀況，本發明的目的在于提供一種球焊用包覆銅絲，該球焊用包覆銅絲 能夠避免扯斷后形成球時，由Cu或Cu合金芯材的氧化造成的不便。用于解決上述課題的本發明以下述的構成為要旨。(1) 一種球焊用包覆銅絲，具有以銅(Cu)為主成分的芯材、和該芯材上的兩種包 覆層，其特征在于，所述芯材包含銅(Cu)-I 500質量ppm磷(P)合金構成，并且，所述包 覆層包含鈀(Pd)或鉬(Pt)中間層及金(Au)表層。(2) 一種球焊用包覆銅絲，具有以銅(Cu)為主成分的芯材、和該芯材上的兩種包 覆層，其特征在于，所述芯材由銅(Cu)-I 80質量ppm磷(P)合金構成，并且，所述包覆層 包含鈀(Pd)或鉬(Pt)中間層及金(Au)表層。(3) 一種球焊用包覆銅絲，具有以銅(Cu)為主成分的芯材、和該芯材上的兩種包 覆層，其特征在于，所述芯材由銅(Cu)-200 400質量ppm磷(P)合金構成，并且，所述包 覆層包含鈀(Pd)或鉬(Pt)中間層及金(Au)表層。(4)上述1 3中任一項記載的球焊用包覆銅絲，其中，磷⑵以外的芯材的成分 是純度99. 999質量％以上的銅(Cu)。(5)上述1 3中任一項記載的球焊用包覆銅絲，其中，磷⑵以外的芯材的成分 是純度99. 9999質量％以上的銅(Cu)。(6)上述1 3中任一項記載的球焊用包覆銅絲，其中，中間層的厚度為0. 005 0. 2 μ m0(7)上述1 3中任一項記載的球焊用包覆銅絲，其中，中間層的厚度為0. 01 0. 1 μ m。(8)上述1 3中任一項記載的球焊用包覆銅絲，其中，表層的厚度為0.005 0. 1 μ m。(9)上述1 3中任一項記載的球焊用包覆銅絲，其中，表層的厚度比中間層的厚度薄。根據本發明，即使在第二焊接的切斷時芯材的銅露出，由于第一焊接中的熔融球 形成時，低熔點的表層元素金(Au)早于中間層元素熔融，由此，表層元素一直擴展到露出 來的芯材的銅的氧化部分，除此之外，芯材的銅利用含有的磷(P)的脫氧效果，在表層附 近，磷(P)濃縮，由此，使芯材的銅的氧化部分開除去，從而可以使熔融球形成時不存在芯 材的銅的氧化部分的影響。
具體實施例方式本發明的包覆銅絲之一，芯材由銅(Cu)-I 500質量ppm磷(P)合金構成。含有 1 500質量ppm磷(P)是為了利用磷(P)的脫氧作用將形成于芯材的露出部的銅(Cu)的氧化膜分解除去。熔融球表面上存在的(P)氧化時升華。這時，磷(P)在芯材表面附近 形成濃縮層，由此，能夠抑制并延遲芯材表面上形成的氧化銅的發生，能夠和后述的金(Au) 表層互相作用，將銅(Cu)表面的氧化膜厚度抑制在最低限。本發明的包覆銅絲之一，芯材由銅(Cu)-I 80質量ppm磷(P)合金構成。這是因 為，即使磷(P)為微量，也具有使銅絲的再結晶溫度上升，使銅絲自身的強度增強的效果。 另外，銅(Cu)的純度越高，磷(P)受到的雜質的影響越小，因此，磷(P)的添加量即使少量 也可以。本發明的包覆銅絲之一，芯材由銅(Cu)-200 400質量ppm磷(P)合金構成。這 是因為，即使磷(P)以外的雜質元素存在數十質量ppm程度，也能夠抑制并延遲芯材表面上 形成的氧化銅的發生。但是，優選芯材的銅(Cu)-磷(P)合金中，盡量不含磷(P)以外的雜質元素。因為這 些雜質元素與大氣中的氧反應形成氧化物，使第一焊接時的熔融的銅球變硬。相反，雜質元素 越少，即使磷(P)的含量多至數百質量ppm程度，熔融的銅球也不傾向于變硬。具體地說，磷 (P)以外的芯材成分優選純度99. 999質量％以上的銅(Cu)，更優選純度99. 9999質量％以上 的銅(Cu)。在此，所謂“純度99. 999質量％以上”是指磷⑵及銅(Cu)以外的金屬雜質元素 小于0.001質量％，是指除去了銅(Cu)中存在的氧、氮和碳等氣體狀元素的情況。兩種包覆層中的中間層由鈀(Pd)或鉬(Pt)、或者鈀(Pd)和鉬(Pt)的合金構成。 鈀(Pd)的熔點(15540C )及鉬(Pt)的熔點(1770°C )都比銅(Cu)的熔點(約1085度) 高。因此，在芯材的銅(Cu)形成球狀的熔融球的最初階段，鈀(Pd)或鉬(Pt)成為薄膜，或 者，鈀(Pd)和鉬(Pt)的合金成為薄膜，防止且延遲來自熔融球的側面的氧化。中間層的厚度優選0.005 0.2 μ m，更優選0.01 0. 1 μ m。小于0.005 μ m時， 有作為薄膜的氧化延遲的效果變得不充分的傾向。超過0.2μπι時，有使銅(Cu)的純度下 降、因銅球的合金化容易引起集成電路芯片開裂的傾向。但是，鈀(Pd)或鉬(Pt)的薄膜，或者鈀(Pd)和鉬(Pt)的合金的薄膜往往會被吸 收到熔融銅球的內部，所以，該薄膜不能完全覆蓋芯材的露出部，即在銅球的端部因電弧放 電形成的銅(Cu)的氧化膜。并且，最外層的熔點更高，由于電弧放電需要更大的能量，因此 會促進銅絲斷面的氧化。于是，在芯材的銅(Cu)形成球狀的熔融球的階段，需要防止芯材 露出部分氧化的手段。因此，在本發明中，除了使芯材中含磷(P)以外，兩種包覆層中的表 層采用了金(Au)。金(Au)的熔點(約1064°C )，比銅(Cu)的熔點(約1085度)低，所以， 在銅(Cu)形成球狀的熔融球的階段，表層的低熔點的金(Au)比銅(Cu)提前更早地融解， 迅速地包裹銅絲端面，促進銅(Cu)的熔化。接著，銅(Cu)熔化之后，中間層的鈀(Pd)或鉬 (Pt)的薄膜或者鈀(Pd)和鉬(Pt)的合金的薄膜軟化而形成熔融球。可以認為，這樣，在形 成銅(Cu)的熔融球的過程中，低熔點的金(Au)表層促進銅(Cu)的熔化，與沒有金(Au)表 層相比，使鈀(Pd)或鉬(Pt)等的薄膜迅速地被吸收到熔融銅球的內部，由此，金(Au)將露 出于端部的芯材的銅(Cu)覆蓋，從而可以防止熔融(Cu)球的銅(Cu)的氧化。兩種包覆層中，優選表層的厚度比中間層的厚度薄。因為如果表層變厚，熔融需要 花費時間，促進銅(Cu)的熔化的效果減弱，并且，因熔融銅球的表面由于偏析產生的合金 化，熔融銅球自身變硬，容易引起半導體芯片的開裂。作為表層的厚度，只要具有使鈀(Pd) 或鉬(Pt)等的薄膜被熔融銅球的內部迅速地吸收，且足夠防止在熔融銅球芯材的露出部形成的銅(Cu)氧化的厚度就可以。具體地說，金(Au)的表層中間層的厚度優選0.005 0. 020. 1 μ m,更優選 0. 005 0. 010. 02 μ m 以下，最優選 0. 005 0. 01 μ m。中間層的鈀(Pd)或鉬(Pt)及表層的金(Au)是即使形成熔融球也不會氧化的元 素。另外，這些元素像銀(Ag) —樣不會和大氣中的硫磺(S)發生反應，所以，不會給芯材的 銅(Cu)帶來不良影響。并且，鈀(Pd)或鉬(Pt)元素也不會給芯材的銅(Cu)中所含的磷 (P)帶來不利影響，表層的金(Au)和芯材的銅(Cu)完全固溶。其結果是，在第一焊接中，在 熔融的銅球凝固的過程中，銅(Cu)球受到的磷(P)的脫氧作用與包覆層的有無沒有關系， 對半導體集成電路芯片是同等的。另外，作為兩種包覆層的中間層和表層由貴金屬形成，所 以，在第二焊接中的超聲波接合時，相比于芯材的銅(Cu)直接與引線框架接合，利用包覆 層可防止芯材的銅(Cu)的氧化，具有接合力提高的效果。在銅芯材的表面形成金(Au)的表層及鈀(Pd)或鉬(Pt)等的中間層時，優選鍍敷 法。鍍敷法可以是電解鍍敷、化學鍍敷、熔融鹽鍍敷等。得到被稱為沖擊鍍、閃鍍的薄的膜 厚的電解鍍敷，鍍敷速度快，和基底的密合性也良好，所以，進行電解鍍敷時優選。化學鍍敷 使用的溶液分為置換型和還原型，像金(Au)表層那樣膜比較薄時，僅采用置換型鍍敷就可 以，但形成像中間層的鈀(Pd)或鉬(Pt)那樣有一定厚度的膜時，有效的是在置換型鍍敷后 實施自身催化型的還原型鍍敷。對于化學法而言，裝置等簡便，容易實施，但比電解法花費 時間。鍍浴中優選含有磷酸或磷酸鹽。因為金(Au)、鈀(Pd)和鉬(Pt)析出時，將磷(P)帶 入，由此在第一焊接中，在芯材的銅(Cu)熔融時，具有可以使熔融銅(Cu)球表面的磷(P) 的脫氧效果更良好地發揮的效果。具體地說，因為磷(P)具有將形成于芯材的露出部的銅 (Cu)的氧化膜分解除去的效果，還具有使熔融銅(Cu)的氧化更緩慢的效果。另一方面，對于物理氣相沉積法而言，可以利用濺射法、離子鍍敷法、真空淀積等 的物理吸附、和等離子CVD等的化學吸附。這些方法都是干式，只要不考慮成本，則不需要 膜形成后的清洗，不必擔心清洗時的表面污染等。對于實施鍍敷或氣相沉積的階段，有效的是在粗直徑的芯材上形成鍍敷膜或氣相 沉積膜之后，進行多次拉絲模拉絲直至目標絲徑的方法。這是為了使鍍敷或氣相沉積的結 晶組織通過拉絲加工變性為塑性加工后的組織。優選的包覆手段可以是在實施沖擊鍍后， 將粗的銅(Cu)芯線浸漬于電解鍍浴中，形成中間層及表層的電鍍膜后，將該包覆銅絲進行 拉絲使其達到最終直徑的方法等。必要時，優選進行鈀(Pd)或鉬(Pt)的沖擊鍍。表層形成包含兩種以上的金屬的多層時，用鍍敷法、氣相沉積法、熔融法等階段性 地形成多個不同的金屬層。此時，有效的是全部形成不同的金屬之后進行熱處理的方法、在 每一層的形成中進行熱處理而依次層疊的方法等。實施例下面，對實施例進行說明。將從含有規定量的磷(P)的純度的銅(Cu)錠進行拉絲加工到500 μ m的絲徑的銅 絲作為芯材，在該銅絲表面實施沖擊鍍之后，用通常的方法進行電解鍍敷。準備包覆了鈀 (Pd)及/或鉬(Pt)作為中間層的三種絲，在該三種絲上直接包覆金(Au)作為表層。鍍浴 使用在半導體用途中市售的鍍浴。具體地說，鈀(Pd)使用在中性的二硝基二氨合鈀浴中添 加了 10gW/l的磷酸鹽的鍍浴；鉬(Pt)使用酸性Pt-p鹽浴；金(Au)使用在中性的氰基化 金浴中添加了 100gW/l的磷酸鹽的鍍浴。其后，將該包覆銅絲進行拉絲模拉絲直到最終直徑25 μ m，最后消除加工變形，實施熱處理，以使伸長率值達到10%左右。最終的鍍層厚度 等如表1所示。另外，鍍層厚度用奧格電子分光法(AES)進行測定。[表1]包覆銅絲的各層結構 焊絲的連接使用市售的自動絲焊器((株)新川制的超聲波熱壓接絲焊器 "UTC-1000型UTC-1000 (商品名)”)，進行球/針腳接合。在氮氣氛中通過電弧放電在焊絲 前端制作球，將其與硅基板上的0.8μπι鋁(Al-0.5%Cu)電極膜接合，以頻率1/200周期、 2kff將焊絲另一端通過楔形針腳接合在鍍敷有4 μ mAg的200°C的引線框架上。另外，第一焊接的條件如下。(接合溫度200°C。初始球徑40 60μ m)
試驗結果示于表2。初始球形狀的觀察觀察20個接合前的球，判定形狀是否為圓球、尺寸精度是否 良好等。如果異常形狀的球產生2個以上，則判定為不良，用符號X標記；如果異常形狀的 球為2個以下，但球位置相對于絲的芯偏離顯著的個數為5個以上的情況，用符號Δ標記； 如果芯偏離為2 4個，則判定為使用上沒有大的問題，用符號〇標記；芯偏離為1個以下 且尺寸精度良好的情況，球形成良好，用符號◎標記。壓接球部的接合形狀的判定觀察500個經接合的球，對形狀的圓度、尺寸精度等 進行評價。球壓接直徑選定達到絲直徑的2 3倍的范圍的條件。如果從真圓偏離較大的 各向異性或橢圓狀等不良球形狀為5個以上，則判定為不良，用符號X標記；不良球形狀為 2 4個或花瓣狀等球壓接部的外周部為8個以上，則需要改善，用符號Δ標記；如果不良 球形狀為1個以下且花瓣狀變形為3 7個，則判定為實用上沒有問題的水平，用符號〇標 記；如果花瓣狀變形為2個以下，則為良好，用符號◎標記。對于熔融球的氧化，用50個芯片確認進行球焊時是否產生了裂紋。對鋁(Al)焊 盤進行堿溶解時露出的硅芯片產生了裂紋的情況，記載其個數。針腳接合的評價，對于在實施了鍍銀(Ag)的引線框架上超聲波熱壓的焊接線弧， 測量將距針腳側其長度為20%的部分用牽引鉤垂直地拉伸時，達到斷裂的負荷。用mN表示 50個線弧中測量的平均值。表2中表示了本發明的包覆銅絲的評價結果。[表2]包覆銅絲的實施評價
8 第一包覆銅絲的焊絲(Au/Pd/CuP)為實施例1、3、6、8、10、12、15、18及21，第二包 覆銅絲的焊絲(Au/Pt/CuP)為實施例2、4、5、7、9、11、14、16、17及22，第三包覆銅絲的焊絲 (Au/ (Pt · Pd) /CuP)為實施例11 19及20，對第三包覆銅絲的焊絲進行900°C X 20秒鐘 熱處理后的焊絲(Au/(Pt -PcD/CuP)相當于實施例13。表1的比較例23 30表示與本發 明的技術方案不符合的焊絲的結果。可以確認，實施例1 4、6、7、9、10、14、16、17及19的焊絲，球部的圓球度、圓度優
異，無芯片損傷，針腳接合性、壓接形狀良好。這些性能在僅僅在表面形成有比較例23 30 的與本發明的技術方案不符合的銅以外的元素的膜的Cu絲中不充分。可以確認，實施例5、8、15、18及20 22的5 10的焊絲，雖然比上述的實施例 1 5的焊絲稍差，但球部的圓球度、圓度優異，芯片損傷也少，針腳接合性、壓接形狀較好。可以確認，實施例11 13的焊絲，雖然比上述的實施例的焊絲稍差，但是和實施
9例1 5的焊絲一樣，球部的圓球度、圓度優異，且芯片損傷也少，沒有比較例那樣的缺陷， 楔形接合性、壓接形狀較好。另外，實施例13的焊絲表現出和實施例11、12的焊絲同樣的結果。
權利要求
一種球焊用包覆銅絲，具有以銅(Cu)為主成分的芯材、和該芯材上的兩種包覆層，其特征在于，所述芯材由銅(Cu) 1～500質量ppm磷(P)合金構成，并且，所述包覆層包含鈀(Pd)或鉑(Pt)中間層及金(Au)表層。
2.一種球焊用包覆銅絲，具有以銅(Cu)為主成分的芯材、和該芯材上的兩種包覆層， 其特征在于，所述芯材由銅(Cu)-I 80質量ppm磷(P)合金構成，并且，所述包覆層包含 鈀(Pd)或鉬(Pt)中間層及金(Au)表層。
3.一種球焊用包覆銅絲，具有以銅(Cu)為主成分的芯材、和該芯材上的兩種包覆層， 其特征在于，所述芯材由銅(Cu)-200 400質量ppm磷(P)合金構成，并且，所述包覆層包 含鈀(Pd)或鉬(Pt)中間層及金(Au)表層。
4.如權利要求1 3任一項所述的球焊用包覆銅絲，其中，磷(P)以外的芯材的成分是 純度99. 999質量％以上的銅(Cu)。
5.如權利要求1 3任一項所述的球焊用包覆銅絲，其中，磷(P)以外的芯材的成分是 純度99. 9999質量％以上的銅(Cu)。
6.如權利要求1 3任一項所述的球焊用包覆銅絲，其中，中間層的厚度為0.005 0. 2 μ m0
7.如權利要求1 3任一項所述的球焊用包覆銅絲，其中，中間層的厚度為0.01 0. 1 μ m。
8.如權利要求1 3任一項所述的球焊用包覆銅絲，其中，表層的厚度為0.005 0. 1 μ m。
9.如權利要求1 3任一項所述的球焊用包覆銅絲，其中，表層的厚度比中間層的厚度薄。
全文摘要
本發明提供一種球焊用包覆銅絲，其在扯斷后形成球時，能夠避免由于Cu或Cu合金芯材的氧化造成的不便。該球焊用包覆銅絲的特征在于，具有由銅-磷合金構成的芯材、在該芯材上的包含鈀或鉑的中間層，在該中間層上的包含金或銀的表層。
文檔編號H01L21/60GK101919037SQ20098010072
公開日2010年12月15日 申請日期2009年9月1日 優先權日2009年3月23日
發明者岡崎純一, 山下勉, 桑原岳, 秋元英行 申請人:田中電子工業株式會社