專利名稱：線芯-護套帶狀線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種接合線、包含所述接合線的子組合件和制造所述接合線的方法。接合線在微電子中常常用于半導體芯片到支撐襯底(例如布線載體)的電接觸中。習慣使用橫截面不同的圓形細線或粗線。細線的直徑在17μπι到ΙΟΟμπι范圍內，而粗線的特征則是直徑為100 μ m到500 μ m。 近年來，已經確定了根據特定應用來使用可由不同材料的多個薄片或層構成的圓形接合線可能是有利的。因此，例如由DE4232745可知，出于此目的，通過使用具有鋁制護套且由金或銅制成的接合線可以提高超聲波接合的可靠性。EP1279491出于成本原因提出，通過提供由銅、銀或鈀制成的鍍金接合線代替純金線來減少接合線中的金含量。根據JP62-97360，通過用由抗氧化性材料制成的層涂布銅制接合線來保護它不被氧化。盡管如上所述具有圓形橫截面的接合線適用于許多應用，但所謂的帶狀線的使用也已確定多年。這些帶狀線的特征在于其不具有圓形橫截面，而是具有橢圓形或矩形橫截面，且主要用于功率元件中的接合。帶狀線的幾何形狀更大而且更扁平，這具有實際優勢，即由于實現接觸僅需要接合少量帶狀線而不是許多更細的接合線，所以加工更快。此外，因為基底處幾乎不存在任何加寬，所以較佳用帶狀線覆蓋將要通過接合線接觸的表面(接合襯墊)。此外，帶狀線的扁平幾何形狀允許產生下端環(lower loops)。另外，類似的環狀幾何形狀處的踵狀物(heel)損壞，即接合材料的敏感弧(sensitive arc)處的損壞,顯然不如類似粗線處明顯。這允許通過短鍵橋接異常高的階梯(step)，從而實現在外殼接合中的密集封裝幾何形狀。為了將具有由不同材料制成的多個層的接合線的上述相關使用優點與帶狀線的相關使用優點相結合，已經提出了制造具有夾層結構的帶狀線。舉例來說，DE102006060899A1公開了一種接合線，其在一側上包含可焊涂層且在相對側上包含可接合涂層。DE102006025870A1也描述了一種接合線，其具有夾層結構且包含至少三個層，即兩個外層和至少一個介入層(intervening layer)。所述接合線可通過熱軋來制造。這確保接合線的不同層排他性地排列成彼此平行，且因此可見于所述線的側視圖中。然而，測試已顯示，從現有技術可知的具有夾層結構的接合線除迄今已經實現的積極性質之外，還存在各種缺點。已經注意到，具有夾層結構的接合線的接合常常會對將要連接的芯片和/或載體的表面(接合表面)造成損壞。此外，很明顯的是，當使用含有具有夾層結構的帶狀線的子組合件時，短路風險顯著較高。因此，本發明是基于以下目的將與使用具有由不同材料制成的多個層的接合線相關聯的優點與與使用帶狀線相關聯的優點相結合，同時避免因使用具有如從現有技術可知的夾層結構的接合線所產生的缺點。根據本發明，所述目的通過包含由第一材料制成的線芯和包裹所述線芯且由第二材料制成的線護套的接合線來滿足，其中第一材料包含第一金屬且第二材料包含第二金屬，且第一金屬不同于第二金屬，其中接合線具有不大于O. 8的縱橫比。本發明的范圍還包括一種子組合件，其包含借助于這種類型的接合線連接的至少一個襯底和一個元件。所述接合線可通過一種方法來制造，其中(i)提供包含由第一材料制成的線芯和包裹所述線芯且由第二材料制成的線護套的圓線，其中第一材料包含第一金屬且第二材料包含第二金屬，并且第一金屬不同于第二金屬；和(ii)重整所述圓線。本發明是基于如下發現在接合具有夾層結構的帶狀線時觀測到發生對接合表面的損壞以及在使用具有所述帶狀線的子組合件時短路風險的增加與帶狀線的夾層結構有關。為了產生所述夾層結構，用第二材料涂布由第一材料制成的帶材。然后通常平軋所述帶材以制造具有夾層結構的對應箔片。為了最終獲得接合線，使用適合的切割工具從箔片切割出接合線。這沿著接合線的縱向側，即垂直于其橫截面產生切割毛刺。所述毛刺不僅在接合過程期間對接合表面造成損壞，而且造成短路，在使用含有具有夾層結構的所述帶狀線的子組合件時常觀測到發生所述短路。因此，根據現有技術的具有夾層結構的帶狀線的切割毛刺的產生是因為制造涉及首先產生具有夾層結構的復合物，然后需要對其切割，這導致了切割毛刺的形成。相比之下，完全不能通過這個程序制造包含由第一材料制成的線芯和包裹線芯且由第二材料制成的線護套的本發明接合線。相反地，這些接合線是通過首先提供適合的線芯-護套圓線，然后在不使用切割工具的情況下重整所述線來產生。因此，本發明提供一種呈帶狀線形式的接合線，其包含由第一材料制成的線芯和包裹所述線芯且由第二材料制成的線護套，其中第一材料包含第一金屬且第二材料包含第二金屬，且第一金屬不同于第二金屬。由于制造細節，所述接合線不含可能在接合期間對接合表面造成損壞或可能在操作具有所述接合線的子組合件時造成短路的毛刺。此外，所述接合線在線芯的第一材料與包裹線芯的護套的第二材料之間不包含敞開的接觸部位，所述敞開的接觸部位在具有夾層結構的接合線中是必然存在的。不同于根據現有技術的具有夾層結構的帶狀線，這不會在線制造和使用期間產生用于腐蝕線的攻擊部位。此外，本發明排除了線芯材料的氧化，而根據現有技術的具有夾層結構的帶狀線的夾層結構的個別層暴露在環境空氣中，且因而可被氧化。因此，本發明的接合線包含由第一材料制成的線芯和包裹線芯且由第二材料制成的線護套。線芯應理解為意指由線護套充分包裹的結構。線護套應理解為充分包裹線芯的層。線護套的厚度決不受到限制，但優選是至少IOnm,更優選是至少30nm,甚至更優選是至 少250nm,尤其優選是至少500nm,甚至更尤其優選是至少I μ m且尤其是至少10 μ m。根據本發明范圍，如果線芯材料不是位于沿接合線縱向側的接合線表面處，而是通過線護套覆蓋，那么線護套充分包裹線芯。然而，根據本發明，線芯材料和線護套材料均位于接合線橫向側的表面處可為優選的。根據本發明，接合線可由線芯和線護套構成，或除線芯和線護套以外還可包含至少一個其它層。因此，本發明的范圍也包括包含線芯、線護套和至少一個包裹線芯的其它層的接合線。所述至少一個其它層可位于線芯與線護套之間，或可充分包裹線芯與線護套兩者。因此，根據本發明，線芯沒必要一定直接接觸線護套。線護套包裹線芯便已足夠，其中線芯是否被其它層包裹以及所述層相對于線芯和線護套位于哪里都不重要。因此，也可設想用多個層包裹線芯且因而可設想多個層作為線護套。根據尤其優選的實施例，線芯是具有均勻組成的結構。所述結構優選位于接合線內部。因此，與可能存在于接合線中的所有其它結構相比，其優選具有距線表面更大的距離。此外，所述結構優選不包裹任何其它結構。 根據另一尤其優選的實施例，線護套是具有均勻組成的層。所述層優選位于接合線的外部。根據本發明，接合線的線芯由第一材料組成且接合線的線護套由第二材料組成。在本文中，線芯的第一材料不同于線護套的第二材料。優選選擇線芯的第一材料和線護套的第二材料以便獲得接合線的某些所需特性。舉例來說，為了提高超聲波接合期間的可靠性，可使用金或銅作為線芯材料且可使用鋁作為線護套材料。另一方面，為了降低接合線的制造成本，可使用銅作為線芯材料且可使用金作為線護套材料。為了獲得氧化保護的接合線，例如可提供由氧化敏感材料(諸如銅)制成的線芯和由氧化不敏感材料(諸如鈀)制成的線護套。因此，尤其優選的接合線包含由銅制成的線芯和由鋁制成的線護套、由金制成的線芯和由鋁制成的線護套、由銅制成的線芯和由金制成的線護套、或由銅制成的線芯和由鈀制成的線護套。另外，為了制造具有各別應用中所需的特性的接合線，實施線芯和線護套材料的大量其它組合是可行的。因此，線芯材料的組成不受限制。根據優選實施例，所述材料是純金屬、化合物、金屬間相或合金。根據尤其優選的實施例，所述線芯材料是銅、銅化合物、銅合金或含銅的金屬間相。根據以上所提供的解釋，線護套材料也不受限制。根據優選實施例，所述材料也是純金屬、化合物、金屬間相或合金。根據尤其優選的實施例，線芯材料是鋁、鋁化合物(例如氧化鋁)、鋁合金或含鋁的金屬間相。根據本發明，線芯的第一材料包含第一金屬且線護套的第二材料包含第二金屬，其中第一金屬不同于第二金屬。線芯的第一材料因此含有至少一種第一金屬。所述第一金屬可以是第一材料或可以是含有所述第一金屬的化合物、合金或金屬間相的一部分。根據優選實施例，線芯的第一材料含有至少25重量％且更優選至少50重量％的第一金屬。線護套的第二材料含有至少一種第二金屬。所述第二金屬可以是第二材料或可以是含有所述第二金屬的化合物、合金或金屬間相的一部分。根據優選實施例，線護套的第二材料含有至少25重量％且更優選至少50重量％的第二金屬。因此，本發明范圍不包含具有由金屬制成的線芯和由所述金屬的氧化物制成的線護套的接合線，因為線芯的第一材料和線護套的第二材料并未包含不同金屬。相反地，本發明范圍包含一種接合線，其具有由第一金屬制成的線芯、由不同于所述第一金屬的第二金屬制成的層、和包裹所述層且由所述第二金屬的氧化物制成的層。由于擴散現象，線芯與線護套之間的明顯邊界可能在本發明接合線的制造和/或儲存期間消失，本發明接合線包含由第一材料制成的線芯和包裹線芯且由第二材料制成的線護套。明確地說，線芯材料可能擴散到線護套材料中且線護套材料可能擴散到線芯材料中。這可能導致例如形成位于線芯與線護套之間的合金。所述合金通常由存在于線芯材料和線護套材料中的元素構成，且通常包含一梯度，其中線芯材料的元素含量從線內部朝向線表面降低，且線護套材料的元素含量從線表面朝向線內部降低。然而，本發明范圍涵蓋接合線不排他性地由至少兩種材料的單一均勻合金或金屬間相組成，以及接合線含有形成線芯和線護套且含有不同金屬的至少兩個相。根據優選實施例，第一金屬占線芯第一材料的分數是至少25重量％且更優選至少50重量％，且第二金屬占線護套第二材料的分數是至少25重量％且更優選至少50重量％。因此，本發明范圍包括一種線，其具有(i)由銅制成的線芯，(ii)由鋁制成的層，(iii)由含有鋁和銅的金屬間相制成的層，其位于線芯與鋁制層之間，和(iv)由氧化鋁制成的包裹鋁制層的層。根據本發明，接合線的縱橫比不大于O. 8，優選不大于O. 6，甚至更優選不大于O. 5，尤其優選不大于O. 4，甚至更尤其優選不大于O. 3，且尤其不大于O. 2。縱橫比優選在1:2到1:500范圍內，甚至更優選在1:3到1:200范圍內，尤其優選在1:4到1:100范圍內，且甚至更尤其優選在1:5到1:50范圍內。在本文中，縱橫比應理解為意指距離(a)與距離(b)的反比，距離(a)延伸通過接合線的橫截面的最寬位置，且距離(b)沿相對于距離(a)的直線延伸通過接合線的所述橫截面的最寬位置。如果接合線例如具有橢圓形橫截面，那么縱橫比是橢圓形橫截面的短軸與長軸的t匕。如果接合線具有矩形橫截面，那么縱橫比是矩形橫截面的寬度與長度的比。舉例來說，具有尺寸為2，000 μ mX200 μ m的矩形橫截面的接合線的縱橫比是O.1。根據本發明的 優選實施例，相對于接合線的橫截面面積，線護套的材料所占的分數在所述面積的5%到50%范圍內，更優選在所述面積的10%到40%范圍內，且甚至更優選在所述面積的15%到35%范圍內。根據本發明的另一改進方案，線護套的厚度相對于接合線的厚度在1:5到1:20范圍內，且更優選在1:8到1:15范圍內。根據另一尤其優選的實施例，本發明的接合線具有矩形橫截面。在這種情況下，矩形橫截面的寬度優選在10 μ m到500 μ m范圍內，更優選在50 μ m到400 μ m范圍內，且尤其優選在ΙΟΟμπι到300 μ m范圍內。在本文中，矩形橫截面的長度優選在200 μ m到5，000 μ m范圍內，更優選在400 μ m到4，000 μ m范圍內，且尤其優選在1，000 μ m到3，000 μ m范圍內。上述接合線優選用于接合。在本文中，接合應理解為意指借助于接合線將元件連接到襯底，優選通過將接合線焊接到對應接觸表面上。根據優選實施例，所述元件選自由無源元件、離散半導體和集成電路組成的群組。優選的無源元件包括電阻器、電容器和電感器。優選的離散半導體包括二極管和晶體管。此夕卜，諸如石英、傳感器、光學元件和微系統(微電機系統，MEMS)等特殊形式也可用作元件。襯底優選是布線載體。可將其構造成單層或多層的。優選地，襯底選自由層壓襯底、薄膜襯底和陶瓷襯底組成的群組。
根據優選實施例，借助于超聲波進行接合,例如通過楔-楔接合(wedge-wedgebonding)或熱超聲球-模接合(thermosonic bal 1-wedge bonding)。因此，本發明范圍還包括一種子組合件，其包含借助于至少一種上述類型的接合線連接的至少一個襯底和一個元件。在本文中，接合線優選接合到位于襯底上和元件上的連接表面上。根據尤其優選的實施例，將接合線焊接到襯底上和元件上的連接表面上。在本文中，未接合的接合線、尤其未焊接的接合線優選位于襯底與元件的連接表面之間，形成環。本發明接合線是通過以下步驟制造的首先提供圓線，其包含由第一材料制成的線芯和包裹所述線芯且由第二材料制成的線護套，其中第一材料包含第一金屬且第二材料包含第二金屬，且第一金屬不同于第二金屬；然后將所述圓線重整成縱橫比不大于O. 8的接合線。所述圓線的制造可遵循已知程序。具有線芯-護套結構的圓線優選通過擠壓成型來制造。另一方面，同樣可行的是，提供由第一材料制成的圓線且在其圓周上用第二材料涂布。優選地，在這種情況下涂布是通過第二材料的氣相沉積、濺鍍或電流沉積而實現的。關于第一材料和第二材料的性質，請參考以上說明。在本發明的范圍中，圓線應理解為具有基本上圓形橫截面的線。圓線的縱橫比優選在O. 85到1. 2范圍內且尤其在O. 9到1.1范圍內。圓線的直徑優選是100 μ m到2，000 μ m且尤其優選是200 μ m到1，000 μ m。根據本發明對圓線進行重整。
重整優選理解為意指一種過程，其中在所加工工件的質量無伴隨顯著變化的情況下獲得所加工工件的形狀變化。舉例來說，切割過程不是重整過程，因為切割過程導致所加工工件的質量減少了切斷部分的質量。因此，重整優選不涉及可能引起沿線的縱向側形成毛刺的任何工具，尤其不涉及切割工具。優選地，圓線在提供之后不切割。明確地說，在重整期間不切割圓線。根據本發明的實施例，重整是借助于平軋來實現的。在本文中適合地調適軋制條件以便在軋制后接合線的縱橫比不大于O. 8。根據本發明的另一實施例，經由通過拉伸模拉伸和/或擠壓圓線來進行重整。為此目的，首先提供拉伸模。所述拉伸模具有多個開口，所述開口的形狀和橫截面與將要提供給接合線的形狀和橫截面基本上對應。因此，拉伸模含有縱橫比不大于0.8的開口。然而，拉伸模開口的精確幾何形狀是所用接合線材料的函數。因為在拉伸之后，由于所用接合線材料的彈性，接合線的橫截面可以略微增加，所以在這種情況下，拉伸模開口的橫截面需要小于接合線所需的橫截面。最后，通過所提供的拉伸模的開口拉伸線，且所述線從而呈現拉伸模開口的形狀。如果需要，那么可以在重整之后清洗所獲得的線。優選地，使用慣用清洗劑和慣用程序實現清洗。優選使由此獲得的接合線在清洗之后退火。退火允許接合線根據其精確性質而具有所需特性。隨后，可封裝接合線，例如以便保護其免于氧化和損壞。因為上述制造方法已經使用了包含由第一材料制成的線芯和包裹所述線芯且由第二材料制成的線護套的線作為起始材料，且簡單重整所述線，所以不再需要切割所述線。因此，本發明的接合線不含有毛刺。 因此，可防止所述接合線的接合期間接合表面的損壞以及具有所述接合線的子組合件的操作期間的短路。
權利要求
1.一種接合線，其包含由第一材料制成的線芯和包裹所述線芯且由第二材料制成的線護套，其中所述第一材料包含第一金屬且所述第二材料包含第二金屬，且所述第一金屬不同于所述第二金屬，且其中所述接合線具有不大于O. 8的縱橫比。
2.如權利要求1所述的接合線，其特征在于所述線芯材料由選自由銅、銅合金和含銅的金屬間相組成的群組的材料組成。
3.如權利要求1或2所述的接合線，其特征在于所述線芯材料由選自由鋁、鋁合金和含鋁的金屬間相組成的群組的材料組成。
4.如權利要求1到3中任一權利要求所述的接合線，其特征在于相對于所述接合線的橫截面面積，所述線護套的材料占所述面積的5%到50%。
5.一種子組合件,其包含通過如權利要求1到4中任一權利要求所述的接合線來連接的至少一個襯底和一個組件。
6.—種制造如權利要求1到4中任一權利要求所述的接合線的方法，其中 (i)提供包含由第一材料制成的線芯和包裹所述線芯且由第二材料制成的線護套的圓線，其中所述第一材料包含第一金屬且所述第二材料包含第二金屬，且所述第一金屬不同于所述第二金屬，和 (ii)重整所述圓線。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于通過平軋所述圓線來重整所述圓線。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于通過拉伸所述圓線經過拉伸模來重整所述圓線。
全文摘要
本發明是基于提供一種帶狀線的目的，憑借所述帶狀線可以有效防止在接合過程期間對接合表面的損壞以及使用對應組合件時的短路。根據本發明，通過一種具有由第一材料制成的線芯和包裹所述線芯且由第二材料制成的線護套的接合線來實現這一目的，其中所述第一材料具有第一金屬且所述第二材料具有第二金屬，且所述第一金屬與所述第二金屬不同，且其中所述接合線具有不大于0.8的橫截面比。
文檔編號H01L23/49GK103038879SQ201180035829
公開日2013年4月10日 申請日期2011年7月18日 優先權日2010年7月22日
發明者歐根·米爾克, 于爾根·迪克, 彼得·普熱諾希爾, 弗蘭克-沃納·武爾夫 申請人:賀利氏材料科技公司