Brevet FR2581657A1 — publié le 19861114

La présente invention concerne un matériau en alliage de cuivre pour fils conducteurs de dispositifs semiconducteurs et, plus particulièrement, un semblable matériau pour fils conducteurs en aLLiage de cuivre qui possède d'excellentes propriétés de résistance mécanique, de résistance thermique, de fiabilité du soudage, etc. Une méthode classique de fabrication d'un dispositif semiconducteur tel qu'un circuit intégré ou un circuit intégré à grande échelle comprend par exemple les principaux traitements suivants (a) - (g): (a) préparer une bande métallique, par exemple une bande en alliage de cuivre pour fils conducteurs, possédant une épaisseur de 0,1 à 0,3 mm comme matériau pour fils conducteurs du dispositif semiconducteur; (b) poinçonner la bande pour fils conducteurs en un cadre de montage ayant une forme adaptée à l'utilisation dans le dispositif semiconducteur qui doit être fabriqué; (c) monter des puces semiconductrices dans lesquelles sont incorporés des éléments tels que des éléments en Si de pureté élevée, en alliage Ga-As, etc., sur le cadre de montage à des parties de surface prédéterminées de celui-ci, soit en soudant à chaud à l'aide d'une résine conductrice telle qu'une pâte à l'argent, soit en soudant par thermocompression par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs couches de placage faites d'au moins un métal choisi dans le groupe comprenant par exemple Au, Ag et Ni, qui a été préalablement plaqué à la surface de la bande ou du cadre de montage; (d) connecter des éléments des puces semiconductrices au cadre de montage à l'aide d'une liaison par fils utilisant des fils d'or ou des moyens analogues; (e) encapsuler les puces semiconductrices, les parties de liaison par fils, les parties de surface du cadre de montage sur lesquelles les puces semiconductrices ont été montées, etc., au moyen d'une résine de matière plastique, ou d'un moyen équivalent, pour assurer leur protection; (f) couper le cadre de montage le long des frontières entre parties de surface adjacentes sur lesquelles sont montées des puces semiconductrices, afin de former des fils conducteurs du dispositif semiconducteur; et (g) plaquer tout ou partie des surfaces des fils conducteurs à l'aide d'une soudure faite d'un altiage Sn-Pb, ou d'un moyen analogue, par immersion ou électroplacage, afin de permettre le soudage des fils conducteurs au substrat du dispositif semiconducteur. A un matériau en alliage de cuivre pour fils conduc- teurs d'un dispositif semiconducteur, il est demandé de satisfaire les propriétés suivantes: (1) une excellente aptitude au poinçonnage, ainsi qu'au formage (pour la flexion et la frappe); (2) une résistance thermique suffisamment élevée pour rester libre de toute contrainte thermique ou tout ramollisse- ment thermique lors du soudage de puces semiconductrices sur un cadre de montage poinçonné dans le matériau pour fils conducteurs; (3) un rayonnement thermique excellent, c'est-à-dire une conductivité électrique excellente (puisque le rayonnement thermique, c'est-à-dire la conductivité thermique, est proportionnel à la conductivité électrique, on peut mesurer le rayonnement ther- mique en termes de conductivité électrique); et (4) une résistance mécanique suffisamment élevée pour rester à l'abri de toute cassure pendant le transport du dispositif semiconducteur ou lors de flexions répétées des fils conducteurs pendant leur connexion aux plaquettes de câblage au cours du montage du dispositif semiconducteur dans un dispositif électrique ou un dispositif électronique. Un matériau classique typique pour fils conducteurs en alliage de cuivre (Cu) comprenant un alliage de Cu essentiellement constitué de: fer: de 1, 5 à 3,5% en poids; phosphore: de 0,01 à 0,15% en poids; zinc: de 0,03 à 0, 2% en poids; et cuivre et impuretés inévitables: le reste, qui satisfait les propriétés demandées, a été proposé par exemple par le brevet japonais publié n 45-10623 (correspondant au brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 522 039), et a été largement utilisé comme matériau pour fils conducteurs de dispositifs semiconducteurs. Le matériau classique en alliage de cuivre pour fils conducteurs possède les propriétés satisfaisantes suivantes: résistance à la traction (servant à l'évaluation de la résistance mécanique): environ 49 à 50 kgf/mm2 (481 à 491 MPa); allongement (servant à l'évaluation de l'aptitude au poinçonnage, ainsi qu'au formage en flexion et frappe): environ 4%; conductivité électrique (servant à l'évaluation du rayonnement thermique et de la conductivité éLec- trique): environ 60-70% I.A.C.S. (c'est-à-dire de la valeur normalisée internationale pour le cuivre recuit); et point de ramollissement (servant à l'évaluation de la résistance thermique): environ 350-360 C. Il a été toutefois récemment été demandé des matériaux pour fils conducteurs possédant une résistance mécanique et une résistance thermique renforcées en vue de leur utilisation comme fils conducteurs avec des densités de câblage accrues dans des dispositifs semiconducteurs. En outre, alors que le matériau classique en alliage de Cu pour fils conducteurs possède une aptitude à l'adhésion satisfaisante avec la soudure utilisée lors du soudage des fils conducteurs au substrat du dispositif semiconducteur, il possède une médiocre fiabilité de soudage si bien que, lorsqu'il est utilisé pour des fils conducteurs dans le dispositif semiconducteur, Les parties soudées des fils conducteurs s'écaillent souvent du substrat pendant l'utilisation du dispositif semiconducteur, ce qui peut entraîner des défaillances du dispositif. C'est un but de l'invention de proposer un matériau en alliage de cuivre pour fils conducteurs de dispositifs semicon- ducteurs, qui possède des propriétés, telles que l'allongement et la conductivité électrique, satisfaisantes et qui présente en outre des caractéristiques excellentes de résistance mécanique et de résistance thermique lorsqu'il- est utilisé comme fils conducteurs dans des dispositifs semiconducteurs ayant des densités de câblage élevées, ce matériau possédant en même temps une fiabilité de soudage améliorée pour le soudage au substrat du dispositif semiconducteur. Selon L'invention, il est proposé un matériau en alliage de cuivre pour fils conducteurs d'un dispositif semiconducteur, qui consiste essentiellement en: fer: de 2 à 2,4% en poids; phosphore: de 0,001 à 0,1% en poids; zinc: de 0,01 à 1% en poids; magnésium: de 0,001 à 0,1% en poids; et cuivre et impuretés inévitables: le reste. De plus, selon L'invention, iL est proposé un procédé d'utilisation d'un alliage de cuivre pour fils conducteurs d'un dispositif semiconducteur. Le procédé se distingue par les opérations suivantes: (a) faire fondre l'alliage de cuivre en un alliage de cuivre fondu ayant une composition chimique prédéterminée; (b) préparer un matériau pour fils conducteurs à partir de l'alliage de cuivre fondu; (c) former le matériau pour fils conducteurs en un cadre de montage ayant une forme adaptée à L'utilisation dans le dispositif semiconducteur qui doit être fabriqué; (d) monter des puces semiconductrices sur le cadre de montage en des parties de surface prédéterminées de celui-ci; (e) connecter des éléments des puces semiconductrices au cadre de montage à l'aide d'une liaison par fils; (f) encapsuler au moins les puces semiconductrices, Les parties de liaison par fils, et des parties de surface du cadre de montage sur lesquelles les puces semiconductrices ont été montées; (g) couper le cadre de montage le long des frontières séparant des parties de surface adjacentes sur lesquelles sont montées des puces semiconductrices afin de former des fils conduc- teurs du dispositif semiconducteur; et (h) plaquer au moins une partie des surfaces des fils conducteurs au moyen d'une soudure afin de permettre le soudage des fils conducteurs au substrat du dispositif semiconducteur. L'alliage de cuivre est essentiellement constitué de 2 à 2,4% en poids de fer, de 0,001 à 0,1% en poids de phosphore, de 0,01 à 1% en poids de zinc, de 0,001 à 0,1% en poids de magnésium, le reste étant le cuivre et les impuretés inévitables. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - les figures 1 à 7 sont des vues en plan qui illus- trent respectivement les processus permettant d'adapter un matériau pour fils conducteurs en alliage de cuivre selon l'invention à son utilisation comme fils conducteurs d'un dispositif semiconducteur. A la lumière des circonstances ci-dessus exposées, la demanderesse a cherché le moyen d'améliorer la résistance méca- nique, la résistance thermique et la fiabilité du soudage du matériau en alliage de Cu classique ci-dessus indiqué pour fils conducteurs de dispositifs semiconducteurs, et elle a réussi à découvrir que l'addition de Mg au matériau pour fils conducteurs en alliage de Cu classique au titre d'élément composant de l'alliage améliorait la résistance mécanique du matériau pour fils conducteurs en même temps que sa résistance thermique et empêchait en outre l'écaillage des parties soudées des fils conducteurs vis-à-vis du substrat du dispo- sitif semiconducteur pendant l'utilisation réelle de ce dispositif, sans pour autant que soient abandonnées les propriétés satisfaisantes du matériau pour fils conducteurs en alliage de Cu classique telles que ses excellentes caractéristiques d'allongement et de conductivité électrique. L'invention repose sur la découverte ci-dessus indi- quée. Le matériau en alliage de cuivre pour fils conducteurs d'un dispositif semiconducteur selon l'invention se distingue en ce qu'il comprend un alliage de cuivre essentiellement constitué de: fer: de 2 à 2, 4% en poids; phosphore: de 0,001 à 0,1% en poids; zinc: de 0,01 à 1% en poids; magnésium: de 0,001 à 0,1% en poids; et cuivre et impuretés inévitables: le reste, et il possède d'excellentes caractéristiques de résistance mécanique, de résistance thermique et de fiabilité de soudage. Les teneurs des éléments constituants du matériau en alliage de cuivre pour fils conducteurs d'un dispositif semiconduc- teur selon L'invention ont été limitées de la manière ci-dessus indiquée pour les raisons suivantes. (a) Fer (Fe): le fer a pour fonction d'augmenter la résistance mécanique du matériau pour fils conducteurs. Toutefois, si la teneur en fer est inférieure à 2% en poids, L'action ci-dessus indiquée ne peut être exécutée suffisamment. Inversement, si la teneur en fer dépasse 2,4% en poids, ceci peut entraîner non seulement une dégradation de la conductivité électrique des fils conducteurs, mais également la formation d'importants précipités de fer dans la matrice du matériau pour fils conducteurs, ce qui conduit à une dégradation de l'aptitude au formage de l'alliage de cuivre. Ainsi, la teneur en fer doit être limitée dans l'intervalle de 2 à 2,4% en poids. (b) Phosphore (P): le phosphore n'agit pas seulement comme agent désoxydant, mais également, en coopération avec le fer, pour former de fines particules de phosphure de fer dispersées dans La matrice du matériau pour fils conducteurs, afin d'améliorer la résistance mécanique, la conductivité électrique et La résistance thermique du matériau pour fils conducteurs. Toutefois, si La teneur en phosphore est inférieure à 0,001% en poids, les actions ci-dessus indiquées ne peuvent se faire dans la mesure voulue. Inversement, si la teneur en phosphore dépasse 0,1% en poids, le matériau peut présenter une conductivité électrique dégradée dans son utilisation comme fils conducteurs. Ainsi, La teneur en phosphore doit rester dans l'intervalle de 0,001 à 0,1% en poids. (c) Zinc (Zn): le zinc fait fonction d'agent désoxy- dantj comme le phosphore, et a en outre pour action de réduire les variations de la résistance mécanique et de la conductivité électri- que du matériau pour fils conducteurs, c'est-à-dire de stabiliser ces propriétés du matériau pour fils conducteurs. Toutefois, si la teneur en zinc est inférieure à 0,01% en poids, les actions ci- dessus indiquées ne peuvent être réalisées dans la mesure voulue. Inversement, si la teneur en zinc dépasse 1% en poids, non seulement les actions ci-dessus indiquées ne peuvent pas produire un quelconque meilleur résultat, mais en outre le matériau pour fils conducteurs peut voir sa conductivité électrique se dégrader dans son utilisation en fils conducteurs. Ainsi, la teneur en zinc doit rester dans l'intervalle de 0,01 à 1% en poids. (d) Magnésium (Mg): le magnésium a pour fonction d'augmenter la résistance mécanique, la résistance thermique et la fiabilité de soudage du matériau pour fils conducteurs, sans pour autant aller à l'encontre des caractéristiques d'allongement et de conductivité électrique du matériau utilisé comme fils conducteurs, ainsi que cela a été indiqué ci- dessus. Toutefois, si la teneur en magnésium est inférieure à 0,001% en poids, les actions précitées ne peuvent être réalisées dans la mesure voulue. Inversement, si la teneur en magnésium dépasse 0,1% en poids, non seulement Le matériau peut voir sa conductivité électrique se dégrader en utili- sation comme fils conducteurs, mais, de plus, l'alliage fondu obtenu par fusion de l'alliage de Cu peut présenter une fluidité dégradée, ce qui rend le moulage de l'alliage fondu difficile à exécuter. Ainsi, la teneur en magnésium reste dans les limites de 0,001 à 0,1% en poids. On va maintenant expliquer, en relation avec les dessins annexes, la manière d'adapter le matériau pour fils conduc- teurs en alliage de Cu selon l'invention à une utilisation en tant que fils conducteurs d'un dispositif semiconducteur. Tout d'abord, comme le montre la figure 1, on prépare à partir d'un alliage de cuivre fondu ayant une conductivité chimique prédéterminée une bande conductrice 1 en alliage de cuivre d'une épaisseur comprise entre 0, 1 et 0,3 mm, pour servir de matériau pour fils conducteurs d'un dispositif semiconducteur. De préférence, on peut plaquer une surface majeure de la bande conductrice 1 au moyen d'une ou plusieurs couches de placage d'au moins un métal choisi dans le groupe constitué de Au, Ag et Ni. Ensuite, on poinçonne la bande conductrice 1 pour former un cadre de montage 2 ayant une forme adaptée à son utilisation dans le dispositif semiconducteur qui doit être fabriqué (figure 2). On monte sur le cadre de montage 2, en des parties de surface prédéterminées de celui-ci (figure 3), des puces semiconductrices 3, dans lesquelles sont incorporés des éléments comportant des éléments semiconducteurs de Si à pureté élevée, d'alliage Ga-As, etc., par soudage à chaud, à une température comprise entre 200 et 350 C, en utilisant une résine conductrice telle qu'une pâte d'argent. On peut de préférence monter les puces conductrices 3 sur le cadre de montage 2 à ses parties de surface prédéterminées à l'aide d'un soudage par thermocompression à une température comprise entre 300 et 400 C via la ou les couches de placage. Ensuite, on connecte Les éléments des puces semiconductrices 3 au cadre de montage 2 en effectuant un soudage par fils utilisant des fils d'or 4 (figure 4). On encapsule à l'aide d'une résine de matière plastique 5 destinée à assurer leur protection (figure 5) les puces semiconductrices 3, les parties de liaison par fils, les parties de surface du cadre de montage 2 sur LesquelLes les puces semiconductrices 3 ont été montées, etc. Ensuite (figure 6), on coupe le cadre de montage 2 le long des fron- tières entre les parties de surface adjacentes sur lesquelles sont montées les puces semiconductrices afin de former des fils conducteurs 2' du dispositif semiconducteur. Enfin, on plaque par immersion dans une soudure 6 en alliage Sn-Pb tout ou partie des surfaces des fils conducteurs 2', en vue du soudage des fils conduc- teurs 2' au substrat du dispositif semiconducteur (figure 7). On va maintenant présenter ci-après un exemple de L'invention afin de montrer que le matériau en alliage de cuivre pour fils conducteurs selon l'invention possède d'excellentes propriétés en comparaison du matériau en alliage de cuivre pour fils conducteurs classique. Exemple On fait fondre, dans un four à induction du type canal basse fréquence ordinaire, des alliages de cuivre ayant les compositions chimiques indiquées dans le tableau ci-après, après quoi on moule les alliages fondus, selon un procédé de moulage semi- continu classique, en lingotsd'alliage de cuivre ayant chacun une dimension de 150 mm d'épaisseur, 400 mm de largeur, et 1500 mm de longueur. On lamine à chaud Les lingots à une température initiale de laminage à chaud de 900 C pour en faire des plaques laminées à chaud ayant chacune une épaisseur de 11 mm. Après trempage, on ramène les plaques laminées à chaud à une épaisseur de 10 mm en coupant des deux côtés une pellicule superficielle, après quoi on les soumet alternativement à répétition à un laminage à froid et à un traitement de vieillissement, puis on les soumet à-un laminage à froid final d'un rapport de réduction de 70% pour former des bandes conductrices ayant chacune une épaisseur de 0,25 mm. Ensuite, on recuit les bandes conductrices pour éliminer les tensions internes à une tempé- rature comprise entre 250 et 350 C pendant 15 min, après quoi on obtient les bandes conductrices d'alliage de cuivre n 1 à 6 selon l'invention, comme représenté sur le tableau ci-après, pour servir de matériaux en alliage de cuivre pour fils conducteurs selon l'invention, ainsi qu'une bande conductrice classique destinée à servir de matériau en alliage de cuivre classique, comme représenté également sur le tableau ci-après. En outre, pour évaluer la fiabilité de soudage des bandes conductrices, on les a plaquéesà l'aide d'un matériau de placage du type soudure possédant une composition chimique de 60% d'étain et 40% de plomb par le procédé d'immersion, on Les a traitées à chaud dans des conditions simulant les conditions réelles d'uti- lisation des bandes conductrices comme fils conducteurs de dispo- sitifs semiconducteurs, c'est-à-dire dans l'atmosphère, à une tempé- rature de 150 C pendant 500 h. Ensuite, on a plié à 1800 les bandes conductrices traitées à chaud, après quoi on les a dépliées pour les remettre dans leur position initiale, et on a examiné les bandes conductrices au niveau des parties pliées pour noter l'appa- rition d'un écaillage du matériau de placage en soudure. Les résultats de l'essai sont présentés dans le tableau ci-après. A partir des résultats présentés sur le tableau ci- après, on voit que chacune des bandes de conduction d'alliage de cuivre n 1 à 6 selon l'invention possède des caractéristiques d'allongement et de conductivité électrique qui sont aussi bonnes que celles de la bande conductrice en alliage de cuivre classique et qu'elles possèdent une fiabilité au soudage améliorée par compa- raison avec celle de la bande conductrice en alLiage de cuivre classique. Comme ci-dessus indiqué, le matériau en aLLiage de cuivre pour fils conducteurs selon l'invention possède de meilleures propriétés de résistance mécanique, de résistance thermique et de fiabilité de soudage que le matériau en alliage de cuivre classique. En outre, les bandes en.alliage de cuivre n 1 à 6 selon l'invention ont été soumises à divers essais relatifs aux propriétés également nécessaires pour un matériau destiné à servir dans des fils conduc- teurs de dispositifs semiconducteurs, comme l'allongement, la conductivité électrique, l'aptitude au poinçonnage, l'aptitude à l'incision, L'aptitude au placage, et L'adhésivité du soudage, et il a été montré que ces propriétés étaient satisfaisantes. Ainsi, le matériau en alliage de cuivre pour fils conducteurs d'un dispo- sitif semiconducteur selon l'invention possède d'excellentes pro- priétés non seulement comme matériau pour fils conducteurs de dispositifs semiconducteurs ordinaires, mais également comme matériau pour fils conducteurs de dispositifs semiconducteurs ayant des densités de câblage élevées, et il peut également être utilisé comme matériau pour bornes et connecteurs de dispositifs et d'ap- pareils électriques et électroniques. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du matériau et du procédé dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratifs et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. TABLEAU Conductivité Echan- Composition chimique (% pondéral) Résis- électrique Point de Ecaillage tiLLon. tance à Allongement (%)(de la ramollis- soudure- ti lion la valeur nor- sement placage Cu +im- traction malisée du FeP. Zn pH8puretés(MPa) () Cu recuit) (OC) C 2,02 0,0018 0,012 0,002 reste 511 5 64 410 aucun 0m 0 - __ I__ _.__ __ _ _ __ _ _ _ _ _ c: _e 2 2,08 0,011 0, 022 0,013 reste 543 5 66 410 aucun C 3 2,14 0,020 0,087 0,025 reste 559 5 67 415 aucun 4 2,21 0,036 0,190 0,054 reste 622 6 68 430 aucun 0 G> CL- _. . I O> 2,32 0,064 0,680 0,071 reste 632 5 65 440 aucun 6 2,39 0,097 0,960 0, 098 reste 633 6 64 450 aucun I _.. _ c L. O C _> 2,37 0,034 0,125 - reste 488 4 65 360 présent x:.-> - co R E V E N D I CATIONS 1. Matériau en alliage de cuivre pour fils conducteurs d'un dispositif semiconducteur, caractérisé en ce qu'il est essen- tiellement constituté de 2 à 2,4% en poids de fer, de 0,001 à 0,1% en poids de phosphore, de 0,01 à 1% en poids de zinc, de 0,001 à 0,1% en poids de magnésium, le reste étant du cuivre et les impuretés inévitables. 2. Procédé d'utilisation d'un alliage de cuivre comme fils conducteurs d'un dispositif semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: (a) faire fondre ledit alliage de cuivre en un alliage de cuivre fondu ayant une composition chimique prédéterminée; (b) préparer un matériau pour fils conducteurs à partir dudit alliage de cuivre fondu; (c) former ledit matériau pour fils conducteurs en un cadre de montage (2) possédant une forme adaptée à l'utilisation dans ledit dispositif semiconducteur qui doit être fabriqué; (d) monter des puces semiconductrices (3) sur ledit cadre de montage en des parties de surface prédéterminées de celui-ci; (e) connecter des éléments desdites puces semi- conductrices audit cadre de montage par une liaison par fils (4); (f) encapsuler (5) au moins lesdites puces semi- conductrices, des parties de liaison par fils, et lesdites parties de surface dudit cadre de montage sur lequel lesdites puces semi- conductrices ont été montées; (g) couper ledit cadre de montage le long des fron- tières entre parties de surface adjacentes sur lesquelles sont montées lesdites puces semiconductrices, afin de former des fils conducteurs pour ledit dispositif semiconducteur; et (h) plaquer au moins une partie des surfaces (6) desdits fils conducteurs à l'aide d'une soudure afin de permettre le soudage desdits fils conducteurs au substrat du dispositif semi- conducteur, ledit alliage de cuivre étant essentiellement constitué de 2 à 2,4% en poids de fer, de 0,001 à 0,1% en poids de phosphore, de 0,01 à 1% en poids de zinc, de 0,001 à 0,1% en poids de magnésium, le reste étant du cuivre et Les impuretés inévitables. 3. Dispositif semiconducteur possédant des fils conduc- teurs, caractérisé en ce que lesdits fils conducteurs sont formés d'un alliage de cuivre essentiellement constitué de 2 à 2,4% en poids de fer, de 0,001 à 0,1% en poids de phosphore, de 0,01 à 1% en poids de zinc, de 0,001 à 0, 1% en poids de magnésium, le reste étant du cuivre et les impuretés inévitables.