Brevet FR2618945A1 — publié le 19890203

La présente invention concerne un fil de liaison destiné à être utilisé dans un dispositif semi-conducteur, en particulier pour la connexion entre un élément semi-conducteur et un fil conducteur externe. Comme procédé permettant de connecter électriquement une électrode d'un élément semi-conducteur et un fil conducteur externe, on a jusqu'ici largement pratiqué un procédé de liaison, ou soudage, de fil utilisant un très fin fil d'or, d'aluminium, etc., d'un diamètre de l'ordre de plusieurs microns à plusieurs dizaines de microns. En particulier, on a employé le plus couramment un fil d'or de pureté élevée,ayant une pureté de l'ordre de 99,99 %,dans ce procédé de liaison en raison de son excellente résistance à la corrosion, de ses possibilités d'extension et de la soudabilité du fil. Ce procédé de liaison, ou soudage, de fil utilisant un tel fil d'or a ordinairement été effectué à l'aide d'un processus de soudage par thermocompression. Dans le procédé de soudage par thermocompression, on coupe le fil d'or à l'aide d'un moyen électrique ou en le faisant fondre avec une flamme d'hydrogène afin de former une partie en forme de bille à l'extrémité du fil d'or, on connecte la partie en forme de bille ainsi produite à une électrode d'un élément semi- conducteur par thermocompression, puis on connecte l'autre partie terminale du fil d'or à un fil conducteur externe par thermocompres- sion. On effectue ces étapes successives dans des conditions de tem- pérature élevéesde 100 à 300 C. Récemment, des tentatives ont été faites pour obtenir une opération de soudage automatique à grande vitesse. Toutefois, - lorsque l'on utilise un fil d'or pur classique dans le processus de soudage à grande vitesse, celui-ci subit des ruptures ou des ramol- lissements à la chaleur produite pendant l'opération, ce qui le rend inutilisable. Ainsi, il existe une forte demande pour des fils de liaison d'une plus grande fiabilité, les améliorations portant notam- ment sur les propriétés suivantes. (1) Ils ont une forte résistance mécanique, en particu- lier une résistance à la traction suffisamment élevée aux températures élevées, de sorte qu'ils ne subissent pas de cassures pendant le processus de soudage. 2618 9 4 5 (2) Une boucLe de fil de liaison connectant une électrode d'un élément semi-conducteur et un fil conducteur externe ne s'affaisse pas sous l'effet du ramollis- sement dû à la chaleur. (3) Ils ne subissent pas de déformations par ramollisse- ment pendant l'opération de moulage à l'aide d'une résine. (4) La forme de la bille formée à l'extrémité du fil est presque complètement sphérique et possède une dimen- sion uniforme, ce qui permet de minimiser la disper- sion des résistances mécaniques des soudures. Jusqu'ici, de nombreuses tentatives ont été faites par addition de divers éléments au fil d'or de grande pureté dans le but d'améliorer les propriétés ci-dessus indiquées. Par exemple, les brevets japonais publiés n 57-34 659 et 58-26 662 indiquent qu'on peut améliorer la résistance mécanique en ajoutant une très petite quantité de calcium ou de bérylium. En outre, l'utilisation de nombreux autres additifs, tels que platine, palladium, argent, titane, magnésium, etc., a été proposée. Un but de l'invention est de découvrir un élément permettant d'améliorer efficacement les propriétés ci-dessus indi- quées et, donc, de produire un fil de liaison qui possède une compo- sition nouvelle, en particulier un fil de liaison d'or possédant une résistance élevée à la traction qui peut commodément être utilisé dans le soudage à grande vitesse. La demanderesse a mené diverses études dans divers domaines sur divers éléments et a découvert que l'adjonction de baryum à l'or avait un effet considérable sur les propriétés envisa- gées par l'invention. En outre, il a été découvert que, lorsque l'on ajoutait du baryum à l'or en même temps qu'un ou plusieurs éléments additifs sélectionnés dans le groupe formé par l'aluminium, le cal- cium, l'argent et le palladium, des effets de coopération pouvaient être obtenus et on pouvait réduire la quantité ajoutée de baryum. Selon l'invention, il est proposé un fil de liaison destiné à être utilisé dans des dispositifs semi-conducteurs, lequel est essentiellement constitué de 0,0003 à 0,01 %, en poids, de 2618 9 45 baryum, Le reste étant de l'or, et la pureté de L'or dudit fil de liaison étant d'au moins 99,99 %. Le fil de liaison selon l'invention peut en outre contenir au moins un des éléments choisis dans le groupe qui comprend l'aluminium à raison de 0,0005 à 0,005 % en poids, le calcium à raison de 0,0001 à 0,0b3 % en poids, l'argent à raison de 0,0005 à 0,005 % en poids, et le palladium à raison de 0,0005 à 0,005 % en poids. Dans ce cas, la quantité totale des éléments et du baryum ne doit pas dépasser 0,01 % en poids, sur la base du poids du fil d'or, si bien que la pureté de l'or du fil de liaison est d'au moins 99,99 %. Le fil de liaison en or selon l'invention contenant du baryum, avec ou sans d'autres éléments d'addition, présente des propriétés nettement supérieures, en particulier une résistance mécanique accrue à température ambiante ou à température élevée, une bille et une boucle du fil pouvant être formées suivant des confi- gurations uniformes et voulues. Ainsi, le fil de liaison est extrême- ment fiable pour être utilisé dans la liaison, ou soudage, par un fil, d'éléments semi-conducteurs et conduit à un rendement élevé. Cette combinaison souhaitable des propriétés rend le fil particulièrement adapté au soudage à grande vitesse. Le fil d'or contenant du baryum selon l'invention possède une résistance mécanique élevée à la fois à la température ambiante et aux températures élevées lorsqu'on le compare à un fil d'or pur classique ne contenant pas de baryum et il peut être soudé de manière entièrement satisfaisante à des parties devant être connec- tées par une soudeuse à grande vitesse, sans qu'il soit provoqué des cassures du fil, un affaissement d'une boucle du fil de liaison et une déformation due au ramollissement. Puisque la bille formée à l'extrémité du fil d'or selon l'invention est sphérique et qu'on peut minimiser les défauts d'uniformité de dimension, il est possible d'obtenir une fiabilité extrêmement élevée. En outre, dans le proces- sus de fabrication du fil, on peut minimiser les cassures du fil pendant l'opération de tirage en raison de la forte résistance du fil, et on obtient de bonnes possibilités de traitement. En outre, lorsqu'un ou plusieurs additifs choisis parmi les éléments ci-dessus indiqués sont contenus dans le fil de liaison d'or, en plus du baryum, on peut obtenir les mêmes avantageuses propriétés avec une quantité réduite de baryum. En particulier, lorsque l'on ajoute de L'aluminium ou-du calcium en combinaison avec le baryum, la quantité totale des additifs en tant qu'impuretés diminue notable- ment en raison de l'effet synergique du baryum et de L'aluminium ou du calcium. Selon l'invention, la teneur en baryum dans le fil de liaison doit être comprise dans l'intervalle de 0,0003 à 0,01 % en poids. Lorsque la teneur en baryum est inférieure à 0,0003 % en poids, les avantages ci-dessus cités sont obtenus avec peine. Inversement, puisqu' une teneur dépassant 0,01 % en poids conduit à un accroissement non favorable de la résistivité et rend impos- sible la formation d'une bille d'une forme sphérique précise, une telle teneur excessive n'est pas souhaitable. Lorsqu'on ajoute le baryum aux autres éléments d'addition, il faut ajuster la quantité totale de baryum et d'éléments d'addition de façon que celle-ci ne dépasse pas la limite supérieure de 0,01 % en poids. Lorsque la teneur en aluminium dépasse 0, 005 % en poids, il est impossible de former une bille sphérique à l'extrémité du fil et, en outre, les propriétés d'étirage se détériorent. Lorsque les quantités de cal- cium, d'argent et de palladium dépassent les limites supérieures respectives de 0,003 % en poids, 0,005 % en poids et 0,005 % en poids, les propriétés d'étirage s'altèrent si bien que de telles quantités en excès ne sont pas souhaitables. En outre, il est essentiel, du point de vue de la fiabilité, que le fil de liaison en or selon l'invention ait finalement une pureté en or d'au moins 99,99 %. En d'autres termes, la teneur en or du fil de liaison doit être d'au moins 99,99 % en poids. Pour assurer les qualités souhaitées du fil de liaison d'or résultant, on préfère que l'or utilisé comme matériau de départ ait été affiné jusqu'à un degré de pureté d'au moins 99,999 % et que le baryum et, si nécessaire, d'autres éléments d'addition soient ajoutés à cet or hautement purifié. Le fil de liaison selon l'invention peut être préparé par n'importe quel procédé connu à ce jour. Par exemple, on ajoute une quantité prédéterminée de baryum à l'or, avec ou sans les autres éléments d'addition, puis on en forme un fil d'un diamètre de plu- 2618 9 4 5 sieurs microns à plusieurs dizaines de microns par une succession d'opérations de fusion, moulage, forgeage ou laminage, et étirage. On va décrire plus spécialement l'invention en relation avec les exemples et exemples comparatifs suivants. EXEMPLE 1 A de l'or d'une pureté d'au moins 99,999 %, on ajoute du baryum à raison de 0,0005 % en poids sur la base de la quantité totale d'or et de baryum, et on fond le mélange résultant. On coule le matériau fondu, on le forge et on l'étire en un fil de liaison d'un diamètre de 25/um. On traite thermiquement le fil ainsi obtenu, si bien que l'allongement à la rupture à température ambiante est de 4 %, puis on mesure sa résistance à la traction à la fois à température ambiante et après avoir placé le fil à 250 C pendant 25 s. Les résultats des mesures sont donnés en même temps que l'allongement sur le Tableau ci-après. EXEMPLE 2 - 4 On prépare d'autres fils de liaison suivant le procédé décrit dans l'Exemple 1, sauf que l'on ajoute le baryum à raison de, respectivement, 0,002 % en poids, 0,006 % en poids, et 0,001 % en poids, sur la base de la quantité totale d'or et de baryum. On mesure la résistance à la traction à température ambiante et à une température élevée (250 C) pour ces fils de liaison, de la même manière que dans l'Exemple 1, et les résultats sont présentés sur le Tableau en même temps que les allongements. EXEMPLES 5 - 13 On a préparé des fils de liaison de la même manière que dans l'Exemple 1, sauf que l'on a ajouté du baryum et un ou plusieurs éléments d'addition supplémentaires suivant les quantités indiquées dans le Tableau, et on les a soumis aux mêmes mesures de résistance à la traction suivant l'Exemple 1. Les résultats sont présentés en même temps que les allongements dans le Tableau. 2618 9 45 Les quantités des éléments d'addition sont toutes données sur la base du poids total de l'or et des éléments d'addition. En plus d'une forte résistance à la traction; les fils de liaison obtenus dans les Exemples 1 à 13 présentent tous des résultats extrêmement bons en ce qui concerne la formation d'une bille sphérique et la forme d'une boucle produite pendant le processus de soudage. EXEMPLES COMPARATIFS A-titre de comparaison, on a effectué les mêmes mesures sur un fil d'or pur classique d'une pureté d'au moins 99,99 %, d'un diamètre de 25jum, ne contenant pas de baryum, les résultats étant présentés sur le Tableau. Les puretés de l'or des fils de liaison sont également indiquées dans le Tableau. Sur le Tableau, il apparaît clairement que le fil de liaison selon l'invention présente de fortes améliorations de sa résistance mécanique tout en assurant des niveaux d'allongement voulus à la fois à température ambiante et à une température élevée. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du fil de liaison dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. TABLEAU Exemple Pureté de Quantité d'additif (% pondéraI) Température ambiante 250 C l'or Baryum Aluminium Calcium Argent Palladium Résistance AllongeRésistance Allonge- (%) à la traction ment à la traction ment (g) (%) (g) (%) > 99,99 0,0005 - - - - 6,5 4,0 4,0 3,0 2 > 99,99 0,002 - - - - 8,0 4,0 5,0 2,8 3 > 99,99 0,006 - - - - 10,0 4,0 8,0 2,4 4 > 99,99 0,01 - - - - 11,0 4,0 8,2 2,0 > 99,99 0,005 0,002 - - - 10,7 4,0 8,0 2,4 6 > 99,99 0,005 - 0,0003 - - 10,0 4,0 7,5 3,2 7 > 99,99 0,005 - - 0,002 - 8,0 4,0 6,0 2,0 8 > 99,99 0,005 - - - 0,002 8,2 4,0 6,5 2,5 9 > 99,99 0,003 0,002 0,0003 - - 11,5 4,0 11,5 2,9 > 99,99 0,003 0,0009 0,0003 - - 11,2 4,0 8,7 3,4 il > 99,99 0,002 0,0009 0,0003 - - 11,0 4,0 8,2 3,7 12 > 99,99 0,002 - 0,001 - - 11,8 4,0 11,0 3,2 13 > 99,99 0,0015 0,0009 0,0003 - - 10,8 4,0 7,9 3,4 Exemple comparatif 1 > 99,99 - - - - - 6,0 4,0 3,0 6,0 Co o