ПРОВОЛОКА ДЛЯ МИКРОСВАРКИ Российский патент 2011 года по МПК C22C5/02 C22C1/02 H01L23/49 

Настоящее изобретение относится к золотой проволоке для микросварки и к подходящим для нее высокопрочным сплавам золота.

В ходе постоянной миниатюризации полупроводниковых компонентов, сопровождаемой стремлением к уменьшению диаметра золотой проволоки для микросварки, все более высокие требования предъявляются к прочности проволоки и надежности соединения проводов (Loops). В частности, известно легирование элементами второй основной группы Периодической системы (щелочно-земельными металлами), например, бериллием и кальцием, согласно C.W.Conti, Gold Bulletin, 1999, (32)2 39 или Zuantao Ning, Gold Bulletin, 2001, (34) 3 77. Лантаноиды, как, например, европий и иттербий, также используются в качестве легирующих добавок. Проблемой лантаноидов является их растворимость в золотой матрице. Плохая растворимость лантаноидов в золотой матрице приводит к образованию неоднородностей, а в худшем случае к образованию толстого осажденного слоя в золотой проволоке, в частности в случае европия и иттербия. Таким образом, вместо увеличения прочности происходит обратный эффект, поскольку легирование приводит к хрупкости, т.е. ухудшается способность проволоки к растяжению. Для элементов второй основной группы, как, например, для кальция, с увеличением концентрации легирующей примеси может происходить увеличение прочности. Это обусловливает появление негативных свойств при образовании шариков, так называемое (dimple-bildung) при получении соединений проводов (loops).

Задача настоящего изобретения состоит в получении сплавов золота повышенной прочности, в основном, сохраняющих прочие положительные свойства золота, в частности, инертность и высокую проводимость.

Для решения задачи золото в диапазоне частей на миллион (ppm) легируют по меньшей мере одним из лантаноидов, иттербием или европием, избавляясь одновременно от негативных свойств при образовании шариков (dimple-bildung) при получении соединений проводов (loop). С этой целью сплав золота формируется в виде гомогенного твердого раствора (смешанного кристалла), т.е. дополнительные фазы, в частности, на основе иттербия или европия, исключаются.

Ввод в золото иттербия или европия в качестве легирующей добавки, не содержащей золота, в частности вместе с кальцием, обеспечивает однородность сплавов золота с этими лантаноидами. Этим обеспечивается возможность получения сплавов золота с содержанием последнего свыше 99 весовых %, в частности, свыше 99,9 весовых %, физические и механические свойства которых особенно благоприятны для их применения в проволоке для микросварки.

При этом решающее значение имеет факт ранее невозможного однородного распределения европия и иттербия в золоте в качестве легирующих добавок путем легирования легирующими добавками, в частности кальцием и европием или иттербием. В отличие от всех других лантаноидов европий и иттербий полностью растворяются в кальции согласно H.Okomoto и Т.B.Massalski, Binary Alloys Phase Diagrams, Metal Park, Ohio, 44073, 1987. Хорошо зарекомендовали себя бинарные лигатуры из кальция и европия, а также из кальция и иттербия.

Таким образом, сплав золота согласно изобретению образуется в виде однородного твердого раствора. Ранее неизбежные включения по меньшей мере еще одной фазы на основе европия или иттербия согласно изобретению отсутствуют. Легирующие добавки в диапазоне 1-1000 частей на миллион (ppm), предпочтительно 2-500 частей на миллион (ppm), особенно предпочтительно 10-100 частей на миллион (ppm), полностью растворяются в золоте.

Таким образом, снова становятся возможными изготовление золотой заготовки и вытягивание из нее золотой проволоки для микросварки с показателями прочности, заметно превышающими эти показатели у сравнительной проволоки.

В предпочтительной форме выполнения золотая проволока для микросварки имеет в качестве других легирующих добавок 1-100 частей на миллион (ppm) церия или мишметалла церия. Кроме того, предпочтительным является применение бериллия в количестве 1-10 частей на миллион (ppm).

Эти элементы согласно C.W.Conti, Gold Bulletin, 1999, (32) 2 39 обеспечивают дополнительное увеличение прочности проволоки для микросварки при сохранении или улучшении благоприятных условий для шариковой микросварки при получении соединений проводов (loop).

Новые виды проволоки имеют предел прочности при разрыве порядка 290 Н/мм² при относительном удлинении при разрыве 4% и величину тягового усилия при испытании микросварного соединения проводов (loops) (диаметром 30 мкм) на разрыв (pulltest) порядка 20 сН. Во всех случаях в процессе микросварки наблюдается опаленный шарик без выемок (dimple) (FAB-Free Air Ball). Выемки (dimple) могут отрицательно сказаться на соединении шарика с подложкой.

Пример

Получение лигатуры на основе золота Au с примесями кальция, иттербия, мишметалла церия Се и добавками бериллия Be

Из кальция и иттербия - по 50 весовых % каждого - сначала под вакуумом выплавляется однородная бинарная лигатура. Затем эта лигатура (I) разбавляется до получения следующей лигатуры (II) с золотом в качестве основного компонента, а также с кальцием и иттербием по 0,5 весовых % каждого. Вместе с очередной лигатурой золота с легирующими добавками бериллия Be и мешметалла церия Се эта лигатура погружается в расплав золота.

Исходный материал для проволоки для микросварки, полученный таким путем, имеет концентрацию примесей, равную 25 частям на миллион (ppm) кальция, 25 частям на миллион (ppm) иттербия, 40 частям на миллион (ppm) мишметалла церия (Се-М) и 5 частям на миллион (ppm) бериллия (Be).

Показатели прочности

Проволока (1) из вышеупомянутого исходного материала, после вытяжки до 30 мкм, после непрерывного отжига в температурном интервале 450-525°С испытывается на предел прочности при разрыве и вместе с соответствующими изготовленными проволоками с варьируемыми концентрациями примеси Au-Ca-Yb-Ce(М)-Ве5 (2) и Au-Ca-Yb-Ce(M) (3) дополнительно сравнивается со стандартной сравнительной проволокой Au-Ca-Ce(M) (4), изготовленной обычным способом.

На фиг.1 отчетливо виден больший предел прочности при разрыве проволок (1)-(3) для микросварки, изготовленных новым способом, по сравнению со сравнительной проволокой (4), при их относительном удлинении при разрыве, равном 4%.

В первом случае предел прочности при разрыве составляет около 290 Н/мм², а в последнем - около 260 Н/мм².

Свойства проволоки для микросварки

Проволока, прокаленная на 4%, используется в шариковой термокомпрессионной микросварке в соответствии с ASTM, 100 Barr, Harbor Drive, West Conshohocken, Pennsylvania 19428-2959 и G.G.Harman „Wire Bonding in Microelectronics" McGraw-Hill 1997, p.67ff. Качество термокомпрессионной сварки или прочность соединения проводов (loops) проверяются с помощью так называемого Pull- или Hakentest (испытания выводов на отрыв) согласно MIL STD 883F, Microcircuits, Mrthod 2011.7. На фиг.2 отчетливо видны большие усилия отрыва (Pull) для проволок (1)-(3), изготовленных новым способом, по сравнению со сравнительной проволокой (4).

В первом случае усилия отрыва (Pull) составляют 17-22 сН (в примере с проволокой (1) для микросварки - 22 сН) по сравнению с 16 сН для сравнительной проволоки (4). Кроме того, новые виды проволоки имеют явно меньшую долю неблагоприятного вида разрушения при изгибе (Heel-Break-Modus), сильно ограничивающего надежность термокомпрессионного соединения. У проволоки (1) из примера она составляет около 32%, а у сравнительной проволоки (4) - 97%.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе золота и получению из них проволоки для микросварки. Сплав на основе золота содержит 99,9 весовых % золота и 1-1000 частей на миллион, в частности 10-100 частей на миллион кальция, 1-1000 частей на миллион, в частности 10-100 частей на миллион иттербия и/или европия, 1-100 частей на миллион мишметалла церия и 1-10 частей на миллион бериллия, при этом сплав закристаллизован в виде твердого раствора. Способ получения сплава на основе золота включает выплавление в вакууме однородной лигатуры, содержащей кальций, иттербий и/или европий, введение ее в золото, при необходимости с добавлением кальция, европия и/или иттербия, до получения лигатуры с золотом в качестве основного компонента, которую затем вводят в расплав золота совместно с другой лигатурой, содержащей золото в качестве основного компонента и легирующие добавки бериллия Be и мишметалла церия Се. Технический результат - получение сплава, характеризующегося высокой прочностью с сохранением свойств золота - инертности и высокой проводимости. 3 н. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Сплав на основе золота, содержащий 99,9 вес.% золота и 1-1000 частей на миллион, в частности 10-100 частей на миллион кальция, 1-1000 частей на миллион, в частности 10-100 частей на миллион иттербия и/или европия, 1-100 частей на миллион мишметалла церия и 1-10 частей на миллион бериллия, при этом сплав закристаллизован в виде твердого раствора.

2. Способ получения сплава на основе золота, отличающийся тем, что выплавляют в вакууме однородную лигатуру, содержащую кальций, иттербий и/или европий, вводят ее в золото, при необходимости с добавлением кальция, европия и/или иттербия, до получения лигатуры с золотом в качестве основного компонента, которую затем вводят в расплав золота совместно с другой лигатурой, содержащей золото в качестве основного компонента и легирующие добавки бериллия Be и мишметалла церия Се с получением сплава по п.1.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что однородная лигатура является кальциевой лигатурой.

4. Проволока для микросварки, отличающаяся тем, что она изготовлена из сплава по п.1.