超聲波接合用純銅合金線的剖面構(gòu)造
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超聲波接合用純銅合金線，其適用于將半導(dǎo)體裝置中所使用的IC 芯片電極與外部引線等的基板連接，并且特別涉及一種車用或功率半導(dǎo)體及高速裝置用等 的高溫環(huán)境下所使用的直徑為100~700 Um的超聲波連接用接合線W及具有相同剖面積 的平角狀線材，或是在80 U m W下的極細線中所使用的焊球（FAB)、超聲波接合用銅接合 線。
【背景技術(shù)】
[000引過去，因為在純度99. 99質(zhì)量％ W上的金（Au)之中僅有含小于100質(zhì)量卵m%的 其它金屬元素的純金線的可靠度優(yōu)良，故大多將其作為使半導(dǎo)體裝置的IC芯片電極與外 部引線連接的球狀接合用線材。此種純金線的一端在形成烙融球體之后，通過超聲波并用 熱壓接合法（第一接合）而球狀連接于IC芯片電極上的鉛焊墊，而另一端則W超聲波法 (第二接合）與印刷基板上的外部引線等超聲波連接。接著，之后通過模型樹脂將連接線封 閉，從而形成半導(dǎo)體裝置。又，此種線材也有不制作球體而是直接W超聲波接合法進行粗線 的第一接合與第二接合的方法。此外，鉛焊墊由純鉛（Al)與0. 2~2質(zhì)量％的Si、化、Ni 等合金化的鉛合金構(gòu)成，一般通過真空蒸錐及磁控瓣錐等的干式錐敷形成。
[0003] 作為該純金線的代替品，W往考慮使用微量添加鐵（Ti)、鉛狂r)等賤金屬元素的 純銅合金線。例如，日本特開昭61-99646號公報（后述專利文獻1)中掲示一種半導(dǎo)體組 件的接合用銅線，其特征為：在99. 99%W上的高純度銅（化）中，含有第五周期元素中的鉛 狂r)(含量5~50ppm)、銀（Ag)(含量10~100卵m)、錫（Sn)(含量10~100卵m)等的1 種或2種W上，總含量5~15化pm ;日本特開昭64-3903號公報中掲示一種用于電子設(shè)備的 銅細線，其特征為；包含Ti、Zr等的任1種或2種W上，含量共0. 05~lOppm，W及氧1~ 30ppm，而剩余部分由化構(gòu)成；日本特開平6-168974號公報的權(quán)利要求1中掲示一種連接 線，其特征為；在重量（wt)ppm中，含有選自Zr、冊、Ti、化W及Mn的1種或2種W上的元 素，含量為20~56化pm,而剩余部分實際上由化構(gòu)成；日本特開2008-85320號公報（后 述專利文獻2)的權(quán)利要求3掲示一種半導(dǎo)體裝置用銅合金連接線，其特征為；含有：10~ 700質(zhì)量ppm范圍的P、6~300質(zhì)量ppm的范圍的Ti、6~30質(zhì)量ppm的范圍的氧；日本 特開2012-89685號公報（后述專利文獻3)的權(quán)利要求2中掲示一種銅連接線，其包含2 質(zhì)量ppm W上且12質(zhì)量卵m W下的硫、超過2質(zhì)量卵m且30質(zhì)量ppm W下的氧W及4質(zhì) 量ppm W上且55質(zhì)量ppm W下的鐵，且剩余部分為不可避免的雜質(zhì)；該銅連接線具有加工 前的結(jié)晶組織，其為從表面往內(nèi)部50 U m深度的、平均晶粒尺寸在20 U m W下的表層；日本 特開2013-26475號公報（后述專利文獻4)的權(quán)利要求2中掲示一種銅連接線，其由軟質(zhì) 稀薄銅合金材料構(gòu)成，其特征為；含有超過2質(zhì)量卵m的氧、含有2質(zhì)量ppm W上且12質(zhì)量 ppm W下的硫，且含有從由Ti、Zr等所組成的組中選出的添加元素，而剩余部分為銅，其結(jié) 晶組織為從表面往內(nèi)部至少深度為線徑的20%，平均晶粒尺寸在20ym W下。上述純銅合 金線相較于純金線較為便宜，故在線徑較大的車用或功率半導(dǎo)體及高速裝置用等的在高溫 環(huán)境下使用的超聲波連接用接合線中，討論使用該材料。
[0004] 上述銅合金線材中，純銅母材中所含的溶解氧（0)及硫（巧等的氣體成分使得接 合特性變差?；谒蜆拥睦斫?，意圖使用鐵（Ti)等的賤金屬元素，W將溶解氧（0)及硫（S) 等的氣體成分固定化。亦即，記載了下述內(nèi)容；2~12質(zhì)量ppm的硫、2~30質(zhì)量ppm的 氧…及鐵燈i)，其作為TiO、Ti〇2、TiS或具有Ti-O-S鍵的化合物，或是作為TiO、Ti〇2、TiS 或具有Ti-O-S鍵的化合物的凝集物而包含于銅連接線，剩余部分的Ti及S則作為固溶體 包含于銅連接線（后述專利文獻3的段落【0022】）；或是"假設(shè)所有的氧為表面的氧化膜 (化2〇)…30質(zhì)量卵m的氧，（線徑25 U m)中成為4. 8nm。實際上，亦必須考慮銅中固溶的 氧，故推定從氧濃度推算的Cu氧化膜的實際厚度變得更?。ㄈ毡咎亻_2008-85320號公報 的段落【0042】）"。
[0005] 如此，即使通過微量賤金屬元素的合金化，使得軟化溫度與純度99. 9999質(zhì)量％ 的純銅合金線一起下降，也可在避免第一接合時的烙融球體變硬的情況下維持焊球接合時 的接合特性，且可通過超聲波進行第二接合。
[0006] 此處，焊球指的是一邊對于從接合工具前端延伸出來的線材前端噴附氮等的非氧 化性氣體及/或還原氣體，一邊通過火花放電在線材前端形成的烙融球體。在焊球的情況 中，因為連接線的烙融球體在第一接合之前被保持于氣體氛圍之中，故具有"純銅合金線未 被氧化，即使在線材與焊墊的接合界面也不會形成氧化膜"的優(yōu)點。
[0007] 然而，在試驗階段中，上述的純銅合金連接線雖可得到滿足焊球接合的接合條件， 但在量產(chǎn)階段，W超聲波接合所進行的第二接合的接合不均程度較大，故上述純銅合金連 接線的實用化僅限于此。又，在W較大能量對粗線進行超聲波接合的情況中，因為未將經(jīng)接 合的基板加熱，故相同地，第二接合的接合不均程度也較大。
[0008] 又，即使是無微量添加元素的純度99. 9999質(zhì)量％ W上的純銅合金中的溶解氧為 數(shù)質(zhì)量ppm W下的純銅連接線，在將其試作為接合線的過程中，在第一接合時，烙融球體仍 變硬，從而引起鉛飛瓣。
[0009] 又，還考慮下述方法；將Au、Al、化的任一者作為主要元素，并進行拉延加工，W 形成10~50 U m左右的極細線，在將既定長度卷入卷軸的狀態(tài)下，將其安裝于線材接合器 W進行使用（日本特開平6-151497號公報（后述專利文獻5)段落【0002】），并在對接合 線進行烙解鑄造之后，對金屬錠進行酸洗等，使其成為"特征為表面的總有機碳量為50~ 1500yg/m2的半導(dǎo)體組件的接合用線材（參見公報的權(quán)利要求1)」。該方法中，其為制造 表面總有機碳量為50~1500 U g/m2的線材的一種方法，因為經(jīng)由一般步驟，即烙解、鑄造、 拉延、退火、卷繞步驟所制造的線材表面被認(rèn)為總有機碳已超過1500 U g/m2,故將其W…酸 洗凈…等的方法洗凈，而使表面的總有機碳量在50~1500 U g/m2的范圍內(nèi)（參見公報的 權(quán)利要求2)。該方法只要在一般步驟中的退火步驟之前或是之后設(shè)置洗凈步驟即可，其具 有容易實施的特征（參見公報的段落【0010】）。接著，其記載下述內(nèi)容；作為潤滑劑成分， 可列舉；石蠟系碳化氨、環(huán)焼系碳化氨、芳香族系碳化氨等礦油、聚帰姪、烷基苯、脂肪酸、高 級醇、脂肪酸肥皂、聚己二醇、聚苯離、脂肪酸二醋、多元醇醋、聚氧己帰烷基離、礙酸鹽、胺、 胺鹽、娃、磯酸醋、氣碳、氣聚離、氣醇等的合成油；牛油、豬油、蹤擱油、大豆油、菜巧油、藍麻 油、松根油等的天然油脂，使用任一者皆可。又，也可為上述數(shù)個成分的混合物。（參見公報 的段落【0012】）。