DE19753055B4 - Feinstdraht aus einer Gold-Legierung, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung - Google Patents
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Abstract
Feinstdraht
aus einer Gold-Legierung zum Kontaktieren von Halbleiterbauelementen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gold-Legierung aus 0,5 – 0,9 Gewichts-%
Kupfer, 0,05 – 0,3
Gewichts-% Platin, Rest Gold besteht und einen spezifischen elektrischen
Widerstand von weniger als 0,36·10-6 Ohm·m besitzt.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Feinstdraht aus einer Gold-Legierung zum Kontaktieren von Halbleiterbauelementen.
- Zum Kontaktieren – Bonden – von Halbleiterbauelementen geeignete Drähte – auch als Bonddrähte bezeichnet – müssen gute elektrische Eigenschaften besitzen und gute mechanische Festigkeitswerte aufweisen. Der Durchmesser der Drähte kann etwa 10 – 200 Mikrometer betragen und liegt üblicherweise bei etwa 20 – 60 Mikrometer; er wird dem Anwendungszweck entsprechend gewählt.
- Die Bonddrähte bestehen häufig aus Gold hoher Reinheit oder aus Gold-Legierungen. Letztere besitzen den Vorteil einer höheren Festigkeit und, wenn sie nur eine geringe Menge an Legierungsbildnern enthalten, einer der des Goldes ähnlichen elektrischen Leitfähigkeit.
- So ist zum Beispiel aus
DE 16 08 161 C die Verwendung einer Legierung aus Gold und 0,001 – 0,1 % eines oder mehrerer Seltenerdmetalle, besonders in Form von Cer-Mischmetall, oder Yttrium zur Herstellung von Zuführungsdrähten in integrierten Schaltungen bekannt. Diese Legierung des Goldes mit geringen Mengen an Seltenerdmetallen oder Yttrium besitzt bei Erwärmungstemperaturen bis zu 500°C ein wesentlich verbessertes Festigkeits- und Dehnungsverhalten, ohne dass andere Eigenschaften des Goldes, wie Härte, chemische Beständigkeit oder elektrischer Widerstand, wesentlich beeinflusst werden. - Gold-Seltenerdmetall-Legierungen für Bonddrähte werden auch in
DE 32 37 385 A (US 4,885,135 ),DE 39 36 281 A (US 4 938 923 ), JP 5-179375 A, JP 5-179376 A, JP 6-112258 A,EP 0 743 679 A undEP 0 761 831 A beschrieben. -
DE 32 37 385 A betrifft einen Feingoldlegierungsdraht mit hoher Zugfestigkeit aus einer Gold-Legierung mit 0,0003 – 0,01 Gewichts-% Seltenerdmetall, besonders Cer, und gegebenenfalls zusätzlich noch Germanium, Beryllium und/oder Calcium. -
DE 39 36 281 A beschreibt einen Golddraht für das Verbinden einer Halbleitervorrichtung aus Gold hoher Reinheit, legiert mit geringen Mengen Lanthan, Beryllium, Calcium und Elementen der Platingruppe, besonders Platin und/oder Palladium. - JP 5-179375 A und JP 5-179376 A beziehen sich auf Feingoldlegierungsdrähte zum Bonden, die aus Gold hoher Reinheit und 0,0003 – 0,005 Gewichts-% Aluminium beziehungsweise Gallium, 0,0003 – 0,003 Gewichts-% Calcium und 0,0003 – 0,003 Gewichts-% Yttrium, Lanthan, Cer, Neodym, Dysprosium und/oder Beryllium bestehen.
- Der aus JP 6-112258 A, referiert in Chemical Abstracts Vo1.121, 89287m, bekannte Bonddraht besteht aus einer Gold-Legierung mit 1 – 30 % Platin und 0,0001 – 0,05 % Scandium, Yttrium und/oder Seltenerdmetall und gegebenenfalls 0,0001 – 0,05 % Beryllium, Calcium, Germanium, Nickel, Eisen, Kobalt und/oder Silber.
- In
EP 0 743 679 A wird ebenfalls ein Bonddraht aus einer platinhaltigen Gold-Seltenerdmetall-Legierung vorgeschlagen. Die Legierung besteht aus Gold und geringen Mengen Platin (0,0001 – 0,005 Gewichts-%), Silber, Magnesium und Europium und kann zum Beispiel noch Cer in einer Menge von 0,0001 – 0,02 Gewichts-% enthalten. - In
EP 0 761 831 A wird ein Feindraht aus einer Platin und/oder Palladium enthaltenden Gold-Seltenerdmetall-Legierung beschrieben. Die Legierung besteht aus 0,1 – 2,2 Gewichts-% Platin und/oder Palladium, 0,0001 – 0,005 Gewichts-% Beryllium, Germanium, Calcium, Lanthan, Yttrium und/oder Europium, Rest Gold. Der Draht wird durch Schmelzen der die Legierung bildenden Elemente in einem Tiegel, von unten nach oben fortschreitender Kühlung der in dem Tiegel befindlichen Legierungsschmelze zu einem Gußbarren und anschließendes Walzen, Ziehen und Glühen hergestellt. Er weist eine Dehnung von 3 – 8 % und einen Young-Modul von 6800 – 9000 kgf/mm2 auf. -
EP 0 288 776 A2 bezieht sich auf das Kontaktieren von Metallisierungen aus Aluminium, die zur Verbesserung von Härte und Festigkeit mit Kupfer dotiert sind, so dass die eine geringere Härte aufweisenden Standard-Goldbonddrähte mit Beryllium-Dotierung weniger gut geeignet sind. Zum Verbinden von Kontaktierungspads aus mit Kupfer dotiertem Aluminium wird daher ein Bonddraht aus einer Legierung aus Gold und 0,01 – 1 Gewichts-% Kupfer mit einer der des dotierten Aluminiums angepassten Härte vorgeschlagen. - Ein kupferhaltiger Bonddraht ist auch aus
DE 39 90 432 C2 (=US 5,491,034 A ) bekannt. Der Bonddraht dient zum Verbinden von Elektroden eines Halbleiterelements mit äußeren Anschlüssen und besteht aus einer Gold-Legierung mit mindestens 1 und weniger als 5 Gewichts-% Kupfer. Zusätzlich kann der Bonddraht 0,0003 – 0,01 Gewichts-% Calcium, Germanium, Beryllium, Lanthan und/oder Indium und mindestens 1 Gewichts-% und höchstens 5 Gewichts-% Platin enthalten. Die Herstellung des Bonddrahts erfolgt durch Erschmelzen der Gold-Legierung in einem Vakuumschmelzofen, Drahtziehen und anschließende Wärmebehandlung (Glühung) bei 200 – 600°C. Die Wärmebehandlung ist üblich und hat den Zweck, die infolge des Ziehens schlechte Verformbarkeit oder Dehnung ("elongation") zu verbessern. Da mit der Verbesserung der Verformbarkeit eine Verringerung der Festigkeit verbunden ist, sind die die Festigkeit beeinflussenden Legierungsbildner hinsichtlich Art und Menge und die Bedingungen der Wärmebehandlung so zu wählen, dass beides – Verformbarkeit und Festigkeit – den jeweiligen Anforderungen entspricht. Die Festigkeit des Bonddrahts wird größer mit einer Erhöhung des Kupfer-Anteils. - Bei der Auswahl von Bonddrähten wird neben speziellen chemischen und physikalischen Eigenschaften insbesondere auch eine möglichst hohe Festigkeit bei gegebener Dehnung gefordert.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Feinstdraht der eingangs charakterisierten Art aus einer Gold-Legierung zu finden, der ein möglichst gutes Festigkeits/Dehnungs-Verhältnis besitzt und dessen elektrische Leitfähigkeit sich möglichst wenig von der eines reinen Gold-Feinstdrahtes unterscheidet. Außerdem soll ein Verfahren angegeben werden, das eine kontinuierliche Herstellung des Feinstdrahtes in wirtschaftlich vorteilhafter Weise ermöglicht. Der Feinstdraht soll sowohl zum Drahtbonden als auch zur Herstellung von sogenannten Ball-Bumps für die Flip-Chip-Technik, wie sie zum Beispiel in
DE 44 42 960 C beschrieben wird, geeignet sein. - Die Aufgabe wird durch einen Feinstdraht aus einer Gold-Legierung gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gold-Legierung aus 0,5 – 0,9 Gewichts-% Kupfer, 0,05 – 0,3 Gewichts-% Platin, Rest Gold besteht.
- Die Aufgabe wird auch durch einen Feinstdraht aus einer Gold-Legierung gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gold-Legierung aus 0,5 – 0,9 Gewichts-% Kupfer, 0,0001 – 0,01 Gewichts-% mindestens eines Elements aus der Gruppe Erdalkalimetall und Seltenerdmetall, 0 – 0,3 Gewichts-% Platin, Rest Gold besteht und einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 0.36·10-6 Ohm·m besitzt.
- Im Sinne der Erfindung werden unter "Erdalkalimetall" Beryllium, Magnesium, Calcium, Barium und Strontium, unter "Seltenerdmetall" Lanthan (Ordnungszahl 57) und die 14 auf das Lanthan folgenden Elemente Cer {Ordnungszahl 58) bis Lutetium (Ordnungszahl 71), in der Fachliteratur auch als "Elemente der Lanthanreihe" bezeichnet, verstanden.
- Das Erdalkalimetall besteht bevorzugt aus Beryllium, Magnesium, Calcium oder einem Gemisch aus mindestens zwei dieser Erdalkalimetalle. Werden Gemische aus Beryllium und Calcium eingesetzt, so haben sich solche aus jeweils 50 Gewichts-% Beryllium und Calcium als besonders geeignet erwiesen.
- Das Seltenerdmetall besteht bevorzugt aus Cer oder einer Mischung aus Cer und einem oder mehreren der Seltenerdmetalle mit den Ordnungszahlen 57 und 59 bis 71. Als besonders geeignet hat sich Cer-Mischmetall erwiesen. Als Cer-Mischmetall wird üblicherweise eine Mischung mit 50 – 60 % Cer, 25 – 30 % Lanthan, 10 – 15 % Neodym, 4 – 6 % Praseodym und 1 % Eisen sowie geringen Anteilen weiterer Seltenerdmetalle bezeichnet (Römpp Chemie Lexikon, Georg Thieme Verlag Stuttgart – New York, Band 1, 10. Auflage (1996), 647).
- Der erfindungsgemäße Feinstdraht mit für Bonddrähte üblichem Durchmesser besitzt alle für den Einsatz zum Bonden erforderlichen Eigenschaften. Er zeichnet sich besonders durch seine hohe elektrische Leitfähigkeit (siehe Tabelle VII), gemessen als spezifischer elektrischer Widerstand, und seine – bezogen auf die Dehnung – sehr gute Festigkeit (siehe Figur) aus. Überraschenderweise führt die erfindungsgemäße Auswahl von Art und Menge der Legierungsbildner Kupfer und Erdalkalimetall und/oder Seltenerdmetall zu einer Verringerung des Festigkeitsverlustes durch die Glühung (siehe Tabelle VIII). Das sehr günstige Festigkeits/Dehnungs-Verhältnis des Feinstdrahtes trägt wesentlich zu der sehr guten Qualität der Bondverbindungen bei.
- In der Figur wird die Festigkeit (Zugfestigkeit) [N/mm2] einiger Feinstdrähte gemäß der Erfindung (Beispiele 1 – 5) und – zum Vergleich – eines nicht erfindungsgemäßen Feinstdrahtes (Beispiel 6) in Abhängigkeit von der Dehnung (Bruchdehnung) [%] dargestellt. Die Feinstdrähte gemäß der Erfindung besitzen bei gegebener Dehnung eine höhere Festigkeit. In der Tabelle VII werden die chemische Zusammensetzung und der spezifische elektrische Widerstand der in den Beispielen beschriebenen erfindungsgemäßen und zum Vergleich von einigen nicht erfindungsgemäßen Feinstdrähten angegeben. Die Tabelle VIII zeigt die Werte für die Festigkeit der in den Beispielen 1 – 6 beschriebenen Feinstdrähte im ziehharten Zustand und bei einer Dehnung von etwa 4 % und läßt den Einfluß des Beryllium- und Calcium-Zusatzes auf die Festigkeit erkennen. Beryllium und Calcium vermindern den mit der Glühung verbundenen Festigkeitsverlust.
- Der erfindungsgemäße Feinstdraht kann aufgrund seiner günstigen Eigenschaften mit besonderem Vorteil zum Drahtbonden, auch für das sich in Entwicklung befindende Hochfrequenz-Bonden, und zur Herstellung der Kontakthügel von Flip-Chips eingesetzt werden.
- Die Lösung der Aufgabe besteht weiterhin in einem Verfahren zur Herstellung eines Feinstdrahtes zum Kontaktieren von Halbleiterbauelementen aus einer Gold-Legierung, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Gold-Legierung aus a) 0,5 – 0,9 Gewichts-Kupfer, 0,05 – 0,3 Gewichts-% Platin, Rest Gold oder aus b) 0,05 – 0,9 Gewichts-% Kupfer, 0,0001 – 0,01 Gewichts-% mindestens eines Elements aus der Gruppe Erdalkalimetall und Seltenerdmetall, 0 – 0,3 Gewichts-% Platin, Rest Gold erschmolzen, die geschmolzene Legierung zu einem Strang vergossen, der Strang zu einem Draht mit für Bondzwecke üblichem Durchmesser gezogen und der Draht geglüht wird.
- Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich besonders bewährt, wenn die geschmolzene Legierung zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen und der Draht bei etwa 300 – 700°C geglüht wird. Durch das Glühen erhält der zunächst ziehharte Draht die erforderliche Dehnung. Das Erschmelzen und Vergießen der Legierung kann an Luft, unter Schutzgas, zum Beispiel Argon, oder im Vakuum erfolgen.
- Als Erdalkalimetall kann Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium oder ein Gemisch aus mindestens zwei dieser Elemente eingesetzt werden. Besonders bewährt haben sich Beryllium, Magnesium, Calcium oder ein Gemisch aus mindestens zwei dieser Erdalkalimetalle. Werden Gemische aus Beryllium und Calcium eingesetzt, so werden solche aus jeweils 50 Gewichts-% Beryllium und Calcium bevorzugt.
- Als Seltenerdmetall wird besonders Cer oder eine Mischung aus Cer und einem oder mehreren Seltenerdmetallen mit den Ordnungszahlen 57 und 59 bis 71 eingesetzt, letztere vorzugsweise in Form von handelsüblichem Cer-Mischmetall.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich besonders dadurch aus, dass es kontinuierlich zu führen ist und Verfahrensprodukte – gegossener Strang und gezogener Draht – mit sehr gleichmäßiger und gleichbleibender Qualität liefert.
- Zur näheren Erläuterung werden in den folgenden Beispielen 1 und 2 Feinstdrähte und ihre Herstellung gemäß der Erfindung und – zum Vergleich – in Beispiel 3 ein Feinstdraht gemäß dem aus
DE 16 08 161 C bekannten Stand der Technik beschrieben. Die Feinstdrähte werden durch ihre Dehnung (Bruchdehnung) [%], ihre Festigkeit (Zugfestigkeit) [N/mm2] und ihren spezifischen elektrischen Widerstand [Ohm mm2/m] charakterisiert. - Beispiel 1
- Feinstdraht aus einer Gold-Legierung mit 0,8 Gewichts-% Kupfer, 0,001 Gewichts-% Beryllium, 0,001 Gewichts-% Calcium und 0,3 Gewichts-% Platin
- Die Schmelze einer Legierung aus 0,8 Gewichts-% Kupfer, 0,001 Gewichts-% Beryllium, 0,001 Gewichts-% Calcium, 0,3 Gewichts-% Platin und Gold als Rest wird in einer Stranggußanlage zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen. Anschließend wird aus dem Strang ein Draht mit einem Durchmesser von 30 Mikrometer gezogen und der Draht je nach zu erzielender Dehnung bei etwa 300 – 700°C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] gemessenen Festigkeitswerte [N/mm2] werden in der Tabelle I angegeben.
- Der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, gemessen an einem Draht mit einem Durchmesser von 275 Mikrometer, beträgt 0,036 Ohm mm2/m.
- Beispiel 2
- Feinstdraht aus einer Gold-Legierung mit 0,9 Gewichts-% Kupfer, 0,001 Gewichts-% Beryllium und 0,001 Gewichts-% Calcium
- Die Schmelze einer Legierung aus 0,9 Gewichts-% Kupfer, 0,001 Gewichts-% Beryllium, 0,001 Gewichts-% Calcium und Gold als Rest wird in einer Stranggußanlage zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen. Anschließend wird aus dem Strang ein Draht mit einem Durchmesser von 30 Mikrometer gezogen und der Draht je nach zu erzielender Dehnung bei etwa 300 – 700°C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] gemessenen Festigkeitswerte [N/mm2] werden in der Tabelle II angegeben.
- Der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, gemessen an einem Draht mit einem Durchmesser von 275 Mikrometer, beträgt 0,034 Ohm mm2/m.
- Beispiel 3 (Vergleich)
- Feinstdraht aus einer Gold-Legierung mit Cer-Mischmetall gemäß
DE 16 08 161 C - Die Schmelze einer Legierung aus Gold und Cer-Mischmetall wird in einer Stranggußanlage zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen. Anschließend wird aus dem Strang ein Draht mit einem Durchmesser von 30 Mikrometer gezogen und der Draht je nach zu erzielender Dehnung bei etwa 300 – 600 °C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] gemessenen Festigkeitswerte [N/mm2/m] werden in der Tabelle III angegeben.
- Der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, gemessen an einem Draht mit einem Durchmesser von 275 Mikrometer, beträgt 0,023 Ohm mm2/m.
Claims (12)
- Feinstdraht aus einer Gold-Legierung zum Kontaktieren von Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gold-Legierung aus 0,5 – 0,9 Gewichts-% Kupfer, 0,05 – 0,3 Gewichts-% Platin, Rest Gold besteht und einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 0,36·10-6 Ohm·m besitzt.
- Feinstdraht aus einer Gold-Legierung zum Kontaktieren von Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gold-Legierung aus 0,5 – 0,9 Gewichts-% Kupfer, 0,0001 – 0,01 Gewichts-% mindestens eines Elements aus der Gruppe Erdalkalimetall und Seltenerdmetall, 0 – 0,3 Gewichts-% Platin, Rest Gold besteht und einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 0,36·10-6 Ohm·m besitzt.
- Feinstdraht nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdalkalimetall Beryllium, Magnesium und/oder Calcium ist.
- Feinstdraht nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Seltenerdmetall Cer ist.
- Verfahren zur Herstellung eines Feinstdrahtes aus einer Gold-Legierung zum Kontaktieren von Halbleiterbauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gold-Legierung aus a) 0,5 – 0,9 Gewichts-% Kupfer, 0,05 – 0,3 Gewichts-% Platin, Rest Gold oder aus b) 0,05 – 0,95 Gewichts-% Kupfer, 0,0001 – 0,01 Gewichts-% mindestens eines Elements aus der Gruppe Erdalkalimetall und Seltenerd metall, 0 – 0,3 Gewichts-% Platin, Rest Gold erschmolzen, die geschmolzene Legierung strangvergossen, der Strang zu einem Draht mit für Bondzwecke üblichem Durchmesser gezogen und der Draht geglüht wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geschmolzene Legierung zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gold-Legierung, die als Erdalkalimetall Beryllium, Magnesium und/oder Calcium enthält, erschmolzen wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gold-Legierung mit Cer als Seltenerdmetall erschmolzen wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht bei 300 – 700°C geglüht wird.
- Verwendung des Feinstdrahtes nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Drahtbonden.
- Verwendung nach Anspruch 10 zum Drahtbonden unter Hochfrequenz-Anwendung.
- Verwendung des Feinstdrahtes nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Verbinden von Halbleiterbauelementen in Flip-Chip-Technik.
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