[发明专利]超声波键合用镀覆铜丝结构

说明书

技术领域

本发明涉及适用于半导体装置中使用的IC芯片电极与外部引线等电路板连接的超声波键合(超音波接合)用镀覆铜合金丝，特别是车载用途、功率半导体、高速设备用途等高温环境下使用的超声波键合用键合撞击丝、或者连15μm以下的极细丝都使用的无空气焊球(FAB)用镀覆铜键合丝。 

背景技术

一直以来，连接半导体装置的IC芯片电极与外部引线的铜丝不断被开发出各种各样的种类来。例如，纯铜合金丝有添加钛(Ti)或锆(Zr)的(特开昭62-102551)、添加硼(B)的(特开昭62-102552)、添加镁(Mg)的(特开昭62-130248)、添加稀土类元素(包括钇(Y))的(特开昭62-193254)、添加钙(Ca)的(特开昭62-102552)、添加磷(P)等的(特开平01-291435)、添加铱(Ir)的(特开平04-184946)、添加钯(Pd)等的(特开2012-222194)铜丝等。 

此外，铜合金丝有含钯(Pd)的(特开昭59-139663)、含镁(Mg)的(特开昭60-236253)、含银(Ag)的(特开昭61-019158)、含镍(Ni)等的(特开平04-218632)、含铂(Pt)等的(特开平07-070673)、含金(Au)的(特开2011-003745)铜丝等。 

另外，镀覆铜合金丝有镀贵金属的(特开昭61-285743)、镀钯(Pd)的(特开2004-006740)、镀金(Au)与钯(Pd)的(特开2010-225722)、具有Au-Pd混合层与钯(Pd)镀层的(专利5088981)铜丝等。 

无空气焊球(FAB)用镀覆铜键合丝时，这些镀覆铜丝的线径一 般都为十几μm到几十μm；功率半导体用粗丝时，则线径一般为几十μm到几百μm。 

此外，出于成分组成观点的镀覆铜丝方面，在纯铜合金丝、质量百分比纯度99.999％以上的铜(Cu)或铜合金芯材上镀覆了亚微米级钯(Pd)的键合丝与IC芯片电极上的铝焊盘的键合可靠性卓越，因此，作为FAB用键合丝，探讨了实际应用(特开2004-006740号公报(后述的“专利文献1”))。最初，试验性地尝试了球焊法，即在该镀钯铜丝的一端形成熔球后，采用热压超声波键合法(第一次键合)球焊至IC芯片电极上的铝焊盘上，采用超声波法(第二次键合)将另一端针脚焊至印刷电路板上的外部引线等。 

然后，经过各种各样的改良，提出了采用无空气焊球(FAB)的第一次键合特性卓越的镀无垢纯铜或铜合金的镀覆铜丝等若干方案。 

此处，FAB指的是通过一边对键合工具顶端延伸出的键合丝顶端喷氮气、氨气等非氧化性气体或还原性气体一边进行火花放电而在键合丝顶端形成的熔球。FAB时，键合丝的熔球在第一次键合之前始终保持惰性环境或还原性环境，因此，纯铜合金丝本身在第一次键合时也不会发生氧化。 

此外，即使是这种键合丝，还有不形成熔球，只采用超声波法，直接利用超声波进行第一次键合和第二次键合的楔焊法；以及用夹具将该实施了楔焊的镀覆铜丝扯断的柱形凸起焊接法等利用超声波的键合法。另外，为了使超声波键合更加容易，还可以将镀覆铜丝压扁，对变平的矩形截面状带状丝实施超声波键合。然后，采用这些方法实施了超声波键合的键合丝再被模制树脂密封，形成半导体装置。此外，铝焊盘常采用纯铝(Al)金属、以及在该铝(Al)金属中添加了质量百分比0.3～2.0％的铜(Cu)、硅(Si)、镍(Ni)等的合金，一般采用真空蒸镀等干式镀覆成形。 

但是，上述的镀钯铜丝到目前为止尚未作为键合丝实现大规模的实际应用。镀钯铜丝未实现实际应用的原因如下所示。 

首先，无垢高纯度铜丝存在键合前表面氧化，形成氧化铜膜的致命缺点。因此，如上所述，过去或采用各种合金元素、或加厚贵金属等的镀层、或采用多层，或者在芯材与镀层界面设置扩散层，企图防止氧化铜膜的形成。然而，采用镀覆了较厚的钯(Pd)等的镀覆铜丝时，就会难以形成稳定的FAB，突然发生熔球变形或变硬、或者芯片损伤等原因不明的问题。基于这些原因，镀钯铜丝未作为FAB用键合丝普及。 

不久后，开发出了具有金(Au)表层和钯(Pd)镀层的镀覆铜丝(特开2012-89685号公报(后述的“专利文献2”)，通过微量卑金属元素的合金化，使软化温度降低到质量百分比纯度99.9999％的纯铜丝的水平，但第一次键合时的熔球却不会变硬，从而能够维持形成FAB时的键合特性，开始正式实现实际应用。