DE3782162T2 - Bonddraht. - Google Patents

Bonddraht.

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DE3782162T2 DE8787119153T DE3782162T DE3782162T2 DE 3782162 T2 DE3782162 T2 DE 3782162T2 DE 8787119153 T DE8787119153 T DE 8787119153T DE 3782162 T DE3782162 T DE 3782162T DE 3782162 T2 DE3782162 T2 DE 3782162T2
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Takanori Fukuda
Kenji Mori
Toshitake Ohtaki
Masanori Tokida
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Tatsuta Electric Wire and Cable Co Ltd
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Description

    a. Bereich der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Bonddrähte zum Anschließen von Halbleiterelementen, die in Transistoren, integrierten Schaltungen (IC), großintegrierten Schaltungen (LSI) und dergleichen verwendet werden, an äußere Leitungen und insbesondere Bonddrähte für Halbleiterelemente, die Kupferkugeln bilden, die eine geeignete Härte zum Zeitpunkt des Anschlusses aufweisen.
    • b. Stand der Technik
  • Es sind aus reinem Gold oder einer Aluminiumlegierung Feindrähte bekannt, die 1% an Si enthalten, als Bonddrähte zum Anschluß von Elektroden an Silizium-Halbleiterelementen an externe Leitungen. Von diesen sind Golddrähte in weitem Umfang angesichts ihrer Eigenschaften der zuverlässigen Verbindung und Beständigkeit gegenüber Korrosion verwendet. Genauer gesagt, wenn Gold-Feindrähte zum Zeitpunkt des Anschlusses durch ein Wärmedruck-Verbindungsverfahren benutzt werden, dann werden Goldkugeln mit einer geeigneten Härte für den Anschluß gebildet. Dementsprechend veranlaßt der Druck, der zum Zeitpunkt der Verbindung ausgeübt wird, keine Schäden an den Silizium-Halbleiterelementen. Dies führt zu einer beträchtlichen Verringerung bei den Schwierigkeiten infolge fehlerhaften Anschlusses bei Halbleitererzeugnissen.
  • Es sind solche Gold-Feindrähte jedoch auch sehr teuer und haben eine geringe Bruchfestigkeit, die oft die Ursache ist, daß der Anschluß der Drähte, wenn sie automatisch mit hoher Geschwindigkeit angeschlossen werden, gelöst wird.
  • Angesichts des obigen wurden Bonddrähte vorgeschlagen, die aus Kupfer mit einer Reinheit hergestellt sind, das gleich oder größer ist als 99,99 Gewichtsprozent, als wirtschaftlichere Bonddrähte, die imstande sind, Kugeln mit geeigneter Härte zu bilden und die eine größere Bruchfestigkeit aufweisen als jene der Gold-Feindrähte (japanische offengelegte Patentveröffentlichungen 60-124959, 62-2645 und 62-22469).
  • Das hochreine Kupfer, das solche Bonddrähte bildet, enthält jedoch Verunreinigungen bzw. Störstoffe, wie Silber, Silizium, Wismut, Eisen, Nickel, Zinn, Schwefel, Phosphor, Blei, Sauerstoff und dergleichen, die einen großen Einfluß auf die Härte der Kupferkugeln ausüben können. Wenn dementsprechend solche Bonddrähte an Halbleiterelemente angeschlossen werden, dann können die Kupferkugeln, die gebildet sind, hart sein, so daß sie Schäden an den Halbleiterelementen verursachen, die mit solchen Kupferkugeln druckverbunden werden.
  • GB-A-2 175 009 zeigt einen Bonddraht, der 0,5 bis 3 ppm von mindestens einer Komponente enthält, die aus einer seltenen Erde und Y ausgewählt ist, wobei der Rest Cu und gelegentliche Verunreinigungen bildet, die nicht mehr als 0,2 ppm an S und 0,1 ppm an Se oder Te umfassen, wobei der Gesamtgehalt gelegentlicher Verunreinigungen 1 ppm nicht überschreitet.
    • Ziele der Erfindung
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Bonddrähte vorzusehen, die aus Kupfer hergestellt sind, das eine Reinheit aufweist, die gleich oder größer ist als 99,99 Gewichtsprozent, das Kupferkugeln bilden kann, die eine Härte aufweisen, die ähnlich jener der Goldkugeln ist, die geeignet sind zum Anschluß an Halbleiterlemente.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Das oben erwähnte Ziel der vorliegenden Erfindung kann dadurch erreicht werden, daß man einen Bonddraht vorsieht, der aus Kupfer hergestellt ist, in welchem die Gehalte jener eigentümlichen Störelemente, die einen großen Einfluß auf die Härte der Kupferkugeln ausüben, bis auf vorbestimmte Mengen oder weniger verringert sind.
  • Der Bonddraht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist hergestellt aus Kupfer mit einer Reinheit gleich oder größer als 99,99 Gewichtsprozent, wobei der Gehalt jedes Elements aus einer aus Silber und Silizium bestehenden ersten Störstoffgruppe 5 ppm oder geringer ist, der Gehalt jedes Elements aus einer aus Wismut, Eisen, Nickel, Zinn, Schwefel, Phosphor und Blei bestehenden zweiten Störstoffgruppe 1 ppm oder geringer ist, der Gehalt eines dritten Störstoffs oder Sauerstoff 5 ppm oder geringer ist und die Summe sämtlicher aus der ersten, der zweiten und der dritten Störstoffgruppe ausgewählten Elemente 10 ppm oder kleiner ist, jedoch nicht im Bereich von 1 ppm oder kleiner liegt.
  • Der Bonddraht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat eine größere Bruchfestigkeit als jene eines Gold-Feindrahts.
    • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Der Bonddraht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist aus Kupfer hergestellt, mit einer Reinheit, die gleich oder größer ist als 99,99 Gewichtsprozent und das in vorbestimmten Mengen oder weniger Störstoffe, wie Silber, Silizium, Wismut, Eisen, Nickel, Zinn, Schwefel, Phosphor, Blei und Sauerstoff enthält, die einen großen Einfluß auf die Härte der Kupferkugeln ausüben.
  • Auf der Grundlage der Art nach unterschiedlicher Einflüsse, die auf die Härte der gebildeten Kupferkugeln ausgeübt werden, werden diese Störstoffe in drei Gruppen eingeteilt; eine erste Störelementgruppe besteht aus Silber und Silizium, eine zweite Störelementgruppe besteht aus Wismut, Eisen, Nickel, Zinn, Schwefel, Phosphor und Blei und eine dritte Störelementgruppe besteht aus Sauerstoff. Es ist gefordert, daß der Gehalt eines jeden Elements, das aus jedem dieser Störelementgruppen ausgewählt ist, eine vorbestimmte Menge oder weniger ist, und daß die Gesamtsumme aller der Gehalte der Störstoffe ebenfalls eine vorbestimmte Menge oder weniger ist. So lange diesen Erfordernissen nicht genügt ist, können die gebildeten Kupferkugeln hart und dementsprechend ungeeignet für den Anschluß an Halbleiterelemente sein.
  • Genauer gesagt, die folgenden Fälle können tatsächlich in Betracht gezogen werden:
  • 1) Wenn der Gehalt irgendeines Elements, das aus der ersten Störelementgruppe ausgewählt ist, 5 ppm oder weniger beträgt, und die Gesamtsumme der Gehalte der Elemente, die aus der ersten und zweiten Störelementgruppe ausgewählt sind, und des Gehalts an Sauerstoff 10 ppm oder weniger beträgt;
  • (1) Wenn der Gehalt an Sauerstoff 5 ppm oder mehr beträgt, obwohl der Gehalt jedes anderen Elements, das aus der zweiten Störelementgruppe ausgewählt ist, 1 ppm oder weniger beträgt, wird die Härte der Kupferkugeln infolge des Einflusses durch den Sauerstoff ungeeignet.
  • (2) Wenn der Gehalt von mindestens einem Element, das aus der zweiten Störelementgruppe ausgewählt ist, 1 ppm oder mehr beträgt, obwohl der Gehalt an Sauerstoff 5 ppm oder weniger beträgt, wird die Härte der Kupferkugeln infolge des Einflusses durch das Element der zweiten Störelementgruppe ungeeignet.
  • (3) Wenn der Gehalt an Sauerstoff 5 ppm oder mehr beträgt und der Gehalt mindestens eines Elements, das aus der zweiten Störelementgruppe ausgewählt ist, 1 ppm oder mehr beträgt, wird die Härte der Kupferkugeln ungeeignet infolge des Einflusses durch den Sauerstoff und des Elements der zweiten Störelementgruppe.
  • 2) Wenn der Gehalt mindestens eines Elements, das aus der ersten Störelementgruppe ausgewählt ist, 5 ppm oder mehr beträgt und die Gesamtsumme der Gehalte an Elementen, die aus der ersten und zweiten Störelementgruppe ausgewählt ist, und der Gehalt an Sauerstoff 10 ppm oder weniger beträgt, obwohl der Gehalt an Sauerstoff 5 ppm oder weniger beträgt und der Gehalt irgendeines Elements, das aus der ersten oder zweiten Störelementgruppe ausgewählt ist, 1 ppm oder weniger beträgt, dann wird die Härte der Kupferkugeln infolge des Einflusses durch das Element der ersten Störelementgruppe ungeeignet.
  • Der Bonddraht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist aus Kupfer hergestellt, das in vorbestimmten Mengen oder weniger eigentümliche Störstoffe enthält, die auf die Härte der Kupferkugeln einen großen Einfluß ausüben. Die Kupferkugeln, die aus dem Bonddraht der vorliegenden Erfindung gebildet sind, haben eine Härte, die ähnlich jener der Goldkugeln ist, die aus einem herkömmlichen Gold-Feindraht gebildet sind. Dementsprechend veranlaßt der Bonddraht der vorliegenden Erfindung keine Schäden an Silizium-Halbleiterelementen, wenn er damit verbunden wird. Ferner ist der Bonddraht der vorliegenden Erfindung wirtschaftlicher als Gold-Feindraht und hat eine größere Bruchfestigkeit bei demselben Durchmesser als die des Gold-Feindrahts. Dieser ermöglicht es dem Bonddraht, unter Verwendung einer automatischen Hochgeschwindigkeits-Verbindungseinrichtung angeschlossen zu werden, und liefert somit einen großen Nutzen.
  • Die folgende Beschreibung wird detaillierter Beispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf Vergleichsbeispiele erörtern, aber es wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf solche Beispiele beschränkt ist.
    • Erfindungsbeispiele 1 bis 4
  • Sauerstofffreies Kupfer, das als Rohmaterial benutzt wurde, wurde wiederholt mittels eines elektrolytischen Prozesses oder eines Zonenschmelzprozesses geläutert und dann einem Vakuum-Schmelzprozeß unterzogen, um einen Kupferbarren zu erhalten, der die in Tabelle 1 gezeigte Zusammensetzung aufweist. Der Barren wurde an seiner Oberfläche um 8% abgeschliffen und dann einem Walz- und Ziehverfahren bei Umgebungstemperatur unterzogen, um Kupfer-Feindrähte zu erzeugen, die einen Enddurchmesser von 25 um aufwiesen. Die so erzeugten Drähte wurden ständig in einer Inertgas- Atmosphäre so geglüht, daß für die Kupfer-Feindrähte eine Dehnbarkeit von 10% erreicht wurde. Somit wurden Bonddrähte hergestellt. Mit einer automatischen Hochgeschwindigkeits-Verbindungseinrichtung wurden solche Bonddrähte einmal an Elektroden biplarer integrierter Schaltungen (IC) angeschlossen. Nachfolgend wurden die Bonddrähte und die Aluminiumelektroden auf den Siliziumoxidschichten geätzt und mit einer Säure entfernt. Die Halbleiterelemente, die Siliziumoxidschichten enthielten, und die Silizium-Halbleiter wurden auf Beschädigungen mit einem Mikroskop untersucht. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt.
    • Vergleichsbeispiele 1 bis 10
  • Kupfer mit einer hohen Reinheit von 99,9999 Gewichtsprozent und allen Elementen der ersten und zweiten Störelementgruppe wurde in einen zylindrischen Graphitschmelztiegel mit einem Innendurchmesser von 27 mm und einer Länge von 300 mm gegeben und in einem Vakuum-Hochfrequenz- Schmelzofen geschmolzen, während der Grad des Vakuums eingestellt wurde. Nachfolgend wurde das geschmolzene Kupfer gekühlt und im Graphitschmelztiegel verfestigt, um einen Kupferbarren mit einer Zusammensetzung zu erhalten, die in Tabelle 1 gezeigt ist.
  • Wie die Erfindungsbeispiele wurde auch dieser Kupferbarren 5 zugerichtet, um Bonddrähte zu erhalten.
  • Wie die Erfindungsbeispiele wurden die so erzeugten Bonddrähte an Halbleiterlemente angeschlossen, nachdem die Halbleiterelemente auf Beschädigungen überprüft wurden. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 ERFINDUNGSBEISPIELE VERGLEICHSBEISPIELE REINHEIT DES KUPFERS (GEW. %) ERSTE STÖRELEMENTE (ppm) ZWEITE STÖRELEMENTE (ppm) DRITTER STÖRSTOFF GESAMTSUMME AUS ERSTEN; ZWEITEN UND DRITTEN STÖRSTOFFEN (ppm) BESCHÄDIGUNG DES Si-HALBLEITERS BESCHÄDIGUNG DER Si-OXIDSCHICHT
  • Was die Spalten der Beschädigung des Silizium-Halbleiters und der Beschädigung der Siliziumoxidschicht in Tabelle 1 angeht, so wurde die Erfindungsbeispiele und Vergleichsbeispiele, in denen Risse beobachtet und nicht beobachtet wurden, mit "Ja" bzw. "Nein" dargestellt.
  • Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, bilden in den Bonddrähten der Erfindungsbeispiele 1 bis 4 der Gehalt irgendeines Elements, das aus der ersten Störelementegruppe ausgewählt wurde, der Gehalt irgendeines Elements, das aus der zweiten Störelementgruppe ausgewählt wurde, und der Gehalt an Sauerstoff jeweils eine vorbestimmte Menge oder weniger, und die Gesamtsumme aller Gehalte, die oben erwähnt sind, bildet eine vorbestimmte Menge oder weniger. Dementsprechend ist die Härte der Kupferkugeln, die zum Zeitpunkt der Verbindung gebildet wurden, geeignet, was zu keinen Schäden an den Halbleiterelementen führt.
  • Bei den Bonddrähten der Vergleichselemente 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 8 ist der Gehalt eines Elements, das aus der ersten Störelementgruppe ausgewählt wurde, 1 ppm oder mehr. Deshalb sind Kupferkugeln, die zur Zeit der Verbindung gebildet werden, hart, so daß sie Schäden an den Halbleiterelementen verursachen.
  • Der Bonddraht des Vergleichsbeispiels 7 enthält einen großen Anteil an Sauerstoff, obwohl der Gehalt irgendeines anderen Elements, das aus der ersten Störelementgruppe ausgewählt ist, eine vorbestimmte Menge oder weniger bildet. Dementsprechend sind Kupferkugeln, die zum Zeitpunkt der Verbindung gebildet werden, hart, so daß sie Schäden an den Halbleiterelementen verursachen.
  • Bei den Bonddrähten der Vergleichsbeispiele 9 und 10 ist der Gehalt an einem Element, das aus der ersten Störelementgruppe ausgewählt ist, hoch, obwohl der Gehalt irgendeines Elements, das aus der zweiten Störelementgruppe ausgewählt wurde, und der Gehalt an Sauerstoff jeweils vorbestimmte Mengen oder weniger bilden. Dementsprechend sind Kupferkugeln, die zum Zeitpunkt der Verbindung gebildet werden, hart, so daß sie Schäden an den Halbleiterelementen verursachen.

Claims (1)

  1. Bonddraht aus Kupfer mit einer Reinheit gleich oder größer als 99,99 Gew.-%, wobei
    der Gehalt jedes Elements aus einer aus Silber und Silizium bestehenden ersten Störstoffgruppe 5 ppm oder geringer ist,
    der Gehalt jedes Elements aus einer aus Wismut, Eisen, Nickel, Zinn, Schwefel, Phosphor und Blei bestehenden zweiten Störstoffgruppe 1 ppm oder geringer ist,
    der Gehalt eines dritten Störstoffs oder Sauerstoff 5 ppm oder geringer ist, und
    die Summe sämtlicher aus der ersten, der zweiten und der dritten Störstoffgruppe ausgewählten Elemente 10 ppm oder kleiner ist, jedoch nicht im Bereich von 1 ppm oder kleiner liegt.
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